Импульсный источник вторичного электропитания

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к импульсным источникам вторичного электропитания, например для узлов и блоков беспилотного летательного аппарата (БПЛА), и может быть использована в радиосвязи, радиолокации и других областях техники.
В качестве прототипа, то есть устройства наиболее близкого к предлагаемому по технической сущности выбран стабилизированный импульсный источник вторичного электропитания беспилотного летательного аппарата (патент РФ на полезную модель №149475, 2014 г., МПК Н02М 3/00, опубл. 10.01.2015 г). Устройство - прототип содержит первичный фильтр входного напряжения в виде сдвоенного дросселя и конденсаторов на его входе и выходе, а также вторичный фильтр входного напряжения в виде одиночного дросселя и конденсатора на его выходе. В состав каждого из каналов формирования напряжения входит: силовой ключ, изолирующий силовой трансформатор, выпрямитель выходного напряжения, фильтр выходного напряжения в виде одиночного дросселя и конденсаторов на его входе и выходе, ШИМ-контроллер с выпрямителем напряжения питания и фильтром напряжения питания, источник опорного напряжения и оптрон в виде светодиода и находящегося с ним в оптическом контакте фототранзистора. В состав блока сигнализации входит делитель напряжения в виде двух резисторов.
Недостатком устройства является низкая надежность за счет перегрева источника питания при длительной работе на нагрузку с большим током потребления.
Для некоторых устройств, например блоков формирования зондирующего сигнала или блоков управления приводами, характерен высокий ток потребления в течение длительного времени. При этом в корпусе и отсеках БПЛА отсутствует возможность обеспечения достаточного охлаждения импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) из-за невозможности или ограничения в использовании воздушного и водяного охлаждения. Кроме того, ИВЭП располагаются в ограниченном пространстве, что дополнительно ухудшает процесс естественного теплообмена и ограничивает применение внешних радиаторов вследствие чего, может возникать локальный перегрев компонентов ИВЭП, что в свою очередь, может привести к нарушению работы и выходу из строя ИВЭП.
В связи с этим, в источнике питания необходимо организовать теплоотвод, как от отдельных составных частей, так и от всего источника питания в целом.
Решаемой задачей является повышение надежности ИВЭП путем введения в состав, по меньшей мере радиатора силового ключа, радиатора выходного выпрямителя, радиатора выпрямителя напряжения питания, теплопроводящей электроизоляционной прокладки и металлического основания.
Сущность полезной модели заключается в том, что в ИВЭП, содержащем первичный фильтр входного напряжения (ПФВхН) в виде сдвоенного дросселя и конденсаторов на его входе и выходе и канал формирования напряжения (КФН), состоящий из вторичного фильтра входного напряжения (ВФВхН) в виде одиночного дросселя (ОД) и конденсатора на его выходе, силового ключа (СК), изолирующего силового трансформатора (ИСТ), выпрямителя выходного напряжения (ВВН) в виде диода Шоттки, фильтра выходного напряжения (ФВыхН) в виде ОД и конденсаторов на его входе и выходе, ШИМ-контроллера с выпрямителем напряжения питания (ВНП) и фильтром напряжения питания (ФНП), источника опорного напряжения (ИОН) и оптрона в виде светодиода (СД) и, находящегося с ним в оптическом контакте, фототранзистора (ФТ), второй КФН, аналогичный первому, блок сигнализации (БС), состоящий из делителя напряжения (ДН) в виде резисторов установленных последовательно, а также ИОН и оптрона в виде СД и находящегося с ним в оптическом контакте ФТ, при этом к первому выходу ПФВхН подключены первые входы первого и второго КФН, а к его второму выходу - вторые входы первого и второго КФН, в каждом КФН первый вход совпадает с первым входом ВФВхН, а второй вход - со вторым входом ВФВхН, ко второму выходу ВФВхН подключен первый вход СК, к выходу которого и первому выходу ВФВхН подключены, соответственно второй и первый входы первичной обмотки ИСТ, первый выход вторичной обмотки ИСТ, через ВВН подключен к первому входу ФВыхН, а второй выход вторичной обмотки - ко второму входу ФВыхН, одновременно к первому выходу ВВН подключен вход СД оптрона, выход которого подключен ко входу ИОН, а выход последнего подключен ко второму выходу ФВыхН, 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 ШИМ-контроллера, первый и второй выходы ФНП подключены, соответственно к первому и второму входам ШИМ-контроллера, а выход последнего подключен ко второму входу СК, первый и второй выходы первого КФН подключены к первому и второму входам БС, а первый и второй выходы второго КФН подключены к третьему и четвертому входам БС, первый и второй входы БС совпадают соответственно с первым и вторым входами ДН, третий выход которого, совпадающий со средней точкой, соединен со входом ФТ оптрона, выход которого подключен к сигнальному каналу БС. В состав введены, по меньшей мере, радиатор силового ключа (РСК) который соединен с СК, радиатор выходного выпрямителя (РВВН) который соединен с ВВН, радиатор выпрямителя напряжения питания (РВНП), который соединен с ВНП, теплопроводящая электроизоляционная прокладка (ТЭП) которая соединяется со всем частями ИВЭП через печатную плату (на схеме не показана) и металлическое основание (МО), которое соединено с ТЭП.
Сущность полезной модели поясняется структурными схемами на фиг. 1 и 2, где:
1 - первичный фильтр входного напряжения (ПФВхН);
2, 4, 9, 17 и 19 - конденсаторы;
3 - сдвоенный дроссель;
5 - первый канал формирования напряжения (КФН),
6 - второй КФН,
7 - вторичный фильтр входного напряжения (ВФВхН),
8 и 18 - одиночные дроссели (ОД),
10 - силовой ключ (СК),
11 - изолирующий силовой трансформатор (ИСТ),
12 - первичная обмотка (ПО) ИСТ,
13 - вторичная обмотка (ВО) ИСТ,
14 - обмотка обратной связи (ООС) ИСТ,
15 - выпрямитель выходного напряжения (ВВН),
16 - фильтр выходного напряжения (ФВыхН),
20 - выпрямитель напряжения питания (ВНП),
21 - фильтр напряжения питания (ФНП),
22 и 31 - оптроны,
23 и 32 - фототранзисторы (ФТ),
24 и 33 - светодиоды (СД),
25 и 34 - источники опорного напряжения (ИОН),
26 - ШИМ-контроллер,
27 - блок сигнализации (БС),
28 - делитель напряжения (ДН),
29 и 30 - резисторы,
35 - радиатор силового ключа (РСК),
36 - радиатор выходного выпрямителя (РВВН),
37 - радиатор выпрямителя напряжения питания (РВНП),
38 - теплопроводящая электроизоляционная прокладка (ТЭП),
39 - металлическое основание (МО).
Заявляемый ИВЭП работает следующим образом: Электропитание от бортовой сети** (** - на схеме не обозначено) поступает на ПФВхН 1 и, соответственно на конденсатор 2, на сдвоенный дроссель 3, и далее на конденсатор 4, с первого выхода ПФВхН 1 напряжение поступает на первые входы первого и второго КФН 5 и 6, а со второго выхода ПФВхН 1 - на вторые входы КФН 5 и 6, с первого и второго входов каждого КФН, например КФН 5, напряжение поступает на входы** ВФВхН 7 и соответственно на ОД 8 и конденсатор 9, при этом ПФВхН 1 и КФН 5 (также как и КФН 6) обеспечивают защиту от синфазных помех, создаваемых питающей бортовой сетью БПЛА, а также защиту бортовой сети БПЛА от электромагнитных помех, создаваемых ИВЭП, со второго выхода ВФВхН 7 напряжение через первый вход и выход СК 10 поступает на второй вход ПО ИСТ 12, а с первого выхода ВФВхН 7 - на первый вход ПО 12 ИСТ 11, при открытии СК 10 ток в ПО 12 линейно увеличивается, при этом значительная часть тепловой энергии возникшей на СК 10 рассеивается на РСК 35, часть тепловой энергии проходя через ТЭП 38, рассеивается на МО 39, в ВО 13 происходит накопление энергии, при закрытии СК 10 магнитный поток в сердечнике** ИСТ 11 уменьшается, что вызывает токи в ВО 13 и в ООС 14, далее напряжение с первого выхода ВО 13 через ВВН 15, где производится выпрямление напряжения посредством диода Шоттки**, в результате выпрямления возникает тепловая энергия, которая рассеивается на РВВН 36 обеспечивая заданный режим работы ВВН 15, при этом часть тепловой энергии проходя через ТЭП 38, рассеивается на МО 39, напряжение с первого выхода ВВН 15 поступает на первый вход ФВыхН 16, а со второго выхода ВО 13 - на второй вход ФВыхН 16 и, соответственно на конденсатор 17, далее на ОД 18 и конденсатор 19, где происходит накопление выпрямленного напряжения, при этом ФВыхН 16 обеспечивает защиту потребителей БПЛА от помех, создаваемых самим ИВЭП, одновременно с первого выхода ВВН 15 напряжение поступает на вход СД 24 оптрона 22, а с выхода СД 24 - на вход** ИОН 25, где формируется стабильное опорное напряжение относительно выходов ИВЭП, а с выхода** ИОН 25 напряжение поступает на второй выход ФВыхН 16, причем при уменьшении (увеличении) напряжения на выходе ВВН 15, которое может быть вызвано изменением нагрузки потребителей (на схеме не показаны), ток, проходящий через СД 24 оптрона 22 уменьшается (увеличивается), при этом СД 24 светится менее (более) интенсивно, затем излучение (фотопоток) от СД 22 поступает на ФТ 23 оптрона 22, при этом менее интенсивное излучение СД 24 вызывает не полное открытие ФТ 23, что уменьшает проходящий через него ток и напряжение на выходе, а более интенсивное излучение СД 24 - более полное открытие ФТ 23, что, соответственно, увеличивает проходящий через него ток и напряжение на выходе, затем, измененное интенсивностью излучения СД 24 напряжение с выхода** ФТ 23 поступает на третий управляющий вход ШИМ-контроллера 26, а с выхода последнего - на второй вход СК 10, напряжение с ООС 14 ИСТ 11 поступает на входы** ВНП 20, где происходит выпрямление этого напряжения, в результате которого образуется тепловая энергия, которая рассеивается на РВНП 37, при этом, часть тепловой энергии, проходя через ТЭП 38, рассеивается на МО 39, с выходов** ВНП 20 напряжение поступает на входы** ФНП 21, с первого и второго выходов которого напряжение поступает соответственно на первый и второй входы питания ШИМ-контроллера 26 (описание см. ниже), с третьего выхода ФНП 21 напряжение питания поступает на вход** ФТ 23 оптрона 22, при этом увеличение напряжения на первом выходе ВВН 15, и соответственно, на входе** ФТ 23, посредством излучения от СД 22, уменьшает ширину импульса на выходе** ШИМ-контроллера 26 и, соответственно, уменьшает энергию, передаваемую от бортовой сети БПЛА через ИВЭП потребителям БПЛА, а уменьшение напряжения на первом выходе ВВН 15, и соответственно, на входе** ФТ 23, посредством излучения от СД 22, увеличивает ширину импульса на выходе ШИМ-контроллера 26, 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 25 и оптроном 22, а также применением в качестве ВВН 15 диода Шоттки, затем окончательно стабилизированное вторичное напряжение питания с первого и второго выходов ФВыхН 16 КФН 5 поступает соответственно на первый и второй входы БС 27, а с первого и второго выходов ФВыхН 16 КФН 6 поступает соответственно на третий и четвертый входы БС 27.
Блок сигнализации 27, в свою очередь, работает следующим образом.
При штатной работе обоих каналов формирования напряжения 5 и 6 ИВЭП с первого выхода первого КФН 5 напряжение поступает на первый вход БС 27 и соответственно на первый вход ДН 28 и резистор 29 ДН 28, а также к потребителям БПЛА.
Со второго выхода первого КФН 5 напряжение поступает на второй вход БС 27 и соответственно на второй вход ДН 28 и резистор 30 ДН 28, а также к потребителям БПЛА.
В ДН 28 происходит формирование (деление) необходимого напряжения для сигналов управления или сигналов о работе КФН 5 и 6.
С первого выхода второго КФН 6 напряжение поступает на третий вход БС 27 и соответственно на вход СД 33 оптрона 31, а также к потребителям БПЛА, при этом СД 33 светится (излучает), и с его выхода напряжение поступает на вход ИОН 34.
Со второго выхода второго КФН 6 напряжение поступает на четвертый вход БС 27 и соответственно на выход ИОН 34, а также к потребителям БПЛА.
Излучение от СД 33 поступает на ФТ 32 оптрона 31 и открывает его, а сигнал со средней точки ДН 28 с его третьего выхода проходит через открытый ФТ 32 и поступает к потребителям БПЛА для анализа и регистрации.
При отказе, т.е. нештатной работе первого КФН 5, происходит следующее.
На первом и втором выходах КФН 5 падает или пропадает напряжение, то же происходит на первом и втором входах БС 27 и на первом и втором входах ДН 28 и входе ФТ 32 оптрона 31, при этом БС 27 сигнализирует о неисправности потребителям БПЛА.
При отказе, т.е. нештатной работе второго КФН 6, происходит следующее.
На первом и втором выходах КФН 6 падает или пропадает напряжение, то же происходит на третьем и четвертом входах БС 27 и входе СД 33 оптрона 31, при этом напряжение на ИОН 34 рассчитано так, что при падении или отсутствии напряжения на выходе КФН 6 СД 33 светится менее интенсивно или перестает светиться вообще, что приводит к закрытию ФТ 32 и БС 27 сигнализирует о неисправности потребителям БПЛА.
Причем, при такой схеме остается гальваническая развязка между первым и вторым КФН 5 и 6.
По сигналам от БС 27 блок контроля и управления (на схеме не показан) БПЛА осуществляет необходимые действия, в т.ч. отключение потребителей БПЛА.
ШИМ-контроллер (контроллер широтно-импульсной модуляции) 26 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 26 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).
При работе ИВЭП выделяется значительное количество тепловой энергии, которая через радиаторы поступает на ТЭП 38, которая обладает хорошими теплопроводящими характеристиками, тепловая энергия поступает через ТЭП 38 на МО 39, который обладает большей теплоемкостью, чем РСК 35, РВВН 36 и РВНП 37, что позволяет существенно снизить рабочую температуру как отдельных частей ИВЭП, так и в целом всей конструкции. Кроме того, применение ТЭП 38 позволяет исключить вероятность электрического пробоя между открытыми частями радиаторов РСК 35, РВВН 36, РВНП 37 и МО 39. Общая структура применения ТЭП и МО дополнительно поясняется фиг. 3.
На указанном фиг. 3 изображен элемент, выделяющий тепловую энергию (СК 10 для примера), аналогичная конструкция применяется для ВВН 15 и РВВН 36, а также ВНП 20 и РВНП 37 соответственно.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно путем введения в конструкцию радиатора силового ключа, радиатора выходного выпрямителя, радиатора выпрямителя напряжения, теплопроводящей электроизоляционной прокладки и металлического основания.
Представленные описание и структурные схемы заявляемого импульсного источника вторичного электропитания позволяют, используя известные в приборостроении материалы, технологии и покупные радиоэлектронные изделия, изготовить его промышленным способом и использовать в радиосвязи, радиолокации и других областях техники.