УСТРОЙСТВО ПРИЕМА ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в системах с высокочувствительными фотоприемными устройствами, работающими в условиях с возможным воздействием на фотоприемные устройства разрушающих излучений, например, солнечной засветки при установке систем на объекты аэрокосмического базирования.
Известно устройство приема излучения (US 2016004422 А1, МПК H04N 5/238, H04N 5/33, H04N 5/225, дата публикации 11.02.2016; фиг. 6 - вариант выполнения с входной оптической системой и элементами магнитного смещения), содержащее входную оптическую систему, фотоприемное устройство, шторку, установленную между входной оптической системой и фотоприемным устройством с возможностью ввода-вывода ее из оптического тракта с помощью блока перемещения и возвратного механизма шторки.
Шторка с помощью блока перемещения может устанавливаться или в положение, когда на фотоприемное устройство поступает оптический поток (открытое положение), или, в случае отключения питания, с помощью возвратного механизма в положение, когда оптический поток блокируется (закрытое положение). Блокировка необходима для защиты фотоприемного устройства от разрушающей солнечной засветки.
Недостатком данного устройства является повышенный расход электрической энергии при удержании шторки в открытом положении, составляющий величину, как правило, равную 4-6 Вт, связанный с необходимостью компенсировать усилие возвратного механизма шторки, направленное на установку шторки в закрытое положение, что сказывается на общем потреблении электроэнергии, величина которого в ряде случаев должна быть предельно минимальной.
Прототипом является устройство приема излучения (RU 2766857 С1, МПК H04N 5/238, G02B 26/02, опубликован 16.03.2022), содержащее входную оптическую систему, фотоприемное устройство, шторку, установленную между входной оптической системой и фотоприемным устройством с возможностью ввода-вывода ее из оптического тракта с помощью блока перемещения и возвратного механизма шторки, фиксатор шторки, снабженный блоком управления и возвратным механизмом фиксатора, вход блока перемещения и вход блока управления выполнены с возможностью подключения к источнику питания устройства приема излучения, причем блок управления выполнен с возможностью обеспечения управления фиксатором при отключении напряжения питания и содержит механизм перемещения фиксатора, преобразователь напряжения, диод, конденсатор, узел коммутации, выход которого подключен к первому входу механизма перемещения фиксатора, при этом первый вход узла коммутации соединен с входом преобразователя напряжения и является входом блока управления, положительный выход преобразователя напряжения через диод подключен ко второму входу узла коммутации и одному из выводов конденсатора, второй вывод которого соединен с отрицательным выходом преобразователя напряжения и вторым входом механизма перемещения фиксатора.
Шторка после установки в открытое положение удерживается с помощью фиксатора шторки, блокирующего перемещение шторки, что обеспечивает малое потребление энергии на ее удержание.
Возврат в закрытое положение при отключении питания осуществляется возвратным механизмом шторки за счет разблокировки шторки механизмом перемещения фиксатора, использующим энергию, накопленную конденсатором блока управления.
Заряд конденсатора осуществляется преобразователем напряжения, который выдает требуемый уровень напряжения в течение всего времени подачи питания на устройство приема излучения.
Мощность преобразователя напряжения выбирается достаточной для заряда конденсатора до требуемого уровня за время перехода шторки из закрытого в открытое положение с тем, чтобы сразу после перехода в открытое положение было возможно, при отключении напряжения питания, закрыть шторку.
Требуемое для оперативного выполнения решаемой задачи время перехода шторки из закрытого в открытое положение составляет, как правило, единицы секунд, в связи с чем для заряда конденсатора за это время необходим достаточно мощный преобразователь напряжения, как правило, с выходной мощностью 5-8 Вт, и, следовательно, достаточно большим выходным током в несколько сотен миллиампер.
После заряда конденсатора при закрытом узле коммутации величина потребляемого выходного тока преобразователя напряжения будет определяться скоростью разряда (токами утечки) конденсатора, устройства коммутации и диода и составляет единицы микроампер, при этом преобразователь напряжения практически в течение всего времени подачи на него напряжения питания (за исключением времени перехода шторки из закрытого в открытое положение, то есть при работе с открытой шторкой) будет работать в режиме, близком к режиму холостого хода.
Преобразователь напряжения, даже при работе в режиме холостого хода, имеет внутренние потери на преобразование, которые составляют величину, как правило, равную 10-15% от номинальной выходной мощности то есть величину порядка 1,0-1,2 Вт, что для ряда систем аэрокосмического базирования, в которых применяется устройство приема излучения, критично.
Недостатком прототипа является повышенный расход электрической энергии устройства приема излучения, достигающий величины до 1,3 Вт в режиме, когда конденсатор уже заряжен до требуемого уровня, что практически совпадает по времени с процессом открытия шторки, то есть при работе со шторкой, установленной в открытое положение.
Техническим результатом полезной модели является снижение расхода электрической энергии за счет периодического выключения преобразователя напряжения при работе со шторкой, находящейся в открытом положении с сохранением напряжения на конденсаторе в требуемом интервале, достаточном для срабатывания механизма фиксатора шторки.
Технический результат достигается тем, что в устройство приема излучения, содержащее входную оптическую систему, фотоприемное устройство, шторку, установленную между входной оптической системой и фотоприемным устройством с возможностью ввода-вывода ее из оптического тракта с помощью блока перемещения и возвратного механизма шторки, фиксатор шторки, снабженный блоком управления и возвратным механизмом фиксатора, при этом вход блока перемещения и вход блока управления выполнены с возможностью подключения к источнику питания устройства приема излучения, причем блок управления выполнен с возможностью обеспечения управления фиксатором при отключении напряжения питания, при этом блок управления содержит механизм перемещения фиксатора, преобразователь напряжения, диод, конденсатор, узел коммутации, выход которого подключен к первому входу механизма перемещения фиксатора, при этом первый вход узла коммутации соединен с входом преобразователя напряжения и является входом блока управления, положительный выход преобразователя напряжения через диод подключен ко второму входу узла коммутации и одному из выводов конденсатора, второй вывод которого соединен с отрицательным выходом преобразователя напряжения и вторым входом механизма перемещения фиксатора, согласно настоящему изобретению, дополнительно введены измеритель уровня заряда и устройство выключения преобразователя напряжения, при этом входы измерителя уровня заряда подключены к соответствующим выводам конденсатора, а выход - к входу устройства выключения преобразователя напряжения, выход которого подключен к входу управления преобразователя напряжения.
На фиг. 1 представлено устройство приема излучения.
На фиг. 2 представлен блок управления фиксатором.
Устройство приема излучения (фиг. 1) содержит входную оптическую систему 1, фотоприемное устройство 2, шторку 3, установленную между входной оптической системой 1 и фотоприемным устройством 2, с возможностью ввода-вывода ее из оптического тракта с помощью блока 4 перемещения и возвратного механизма 5 шторки 3, фиксатор 6 шторки 3, снабженный блоком 7 управления и возвратным механизмом 8.
Вход блока 4 перемещения шторки 3 и вход блока 7 управления выполнены с возможностью подключения к источнику питания устройства приема излучения (на чертежах не показан).
Блок 7 управления выполнен с возможностью обеспечения управления фиксатором 6 при отключении напряжения питания.
Блок 7 управления содержит механизм 9 перемещения фиксатора 6, преобразователь 10 напряжения, диод 11, конденсатор 12, узел 13 коммутации.
Выход узла 13 коммутации подключен к первому входу механизма 9 перемещения фиксатора 6, при этом первый вход узла 13 коммутации соединен с входом преобразователя 10 напряжения и является входом блока 7 управления.
Положительный выход преобразователя 10 напряжения через диод 11 подключен ко второму входу узла 13 коммутации и одному из выводов конденсатора 12, второй вывод которого соединен с отрицательным выходом преобразователя 10 напряжения и вторым входом механизма 9 перемещения фиксатора 6.
Отличием предлагаемого устройства приема излучения является то, что в него дополнительно введены измеритель 14 уровня заряда и устройство 15 выключения преобразователя 10 напряжения.
Входы измерителя 14 уровня заряда подключены к соответствующим выводам конденсатора 12.
Выход измерителя 14 уровня заряда подключен к входу устройства 15 выключения преобразователя 10 напряжения.
Выход устройства 15 выключения подключен к входу управления преобразователя 10 напряжения.
Работает устройство приема излучения следующим образом.
До подачи на устройство приема излучения напряжения питания за счет действия возвратного механизма 5 шторки 3, в качестве которого может быть использована, например, пружина, шторка 3 находится в закрытом положении и блокирует поступление оптического потока на фотоприемное устройство 2 (данное положение шторки 3 изображено пунктиром на фиг. 1). Пружина при этом разжата.
При подаче на устройство приема излучения напряжения питания блок 4 перемещения, который может быть выполнен, например, на шаговом двигателе, снабженным модулем управления (на чертежах не показаны), преодолевая противодействие возвратного механизма 5 шторки 3, сжимая пружину, перемещает шторку 3 в открытое положение.
При этом при достижении шторкой 3 открытого положения, фиксатор 6, который может быть выполнен, например, в виде якоря соленоида (для случая, когда механизм 9 перемещения фиксатора 6 выполнен, например, в виде обмотки соленоида), блокирует возможность возвращения шторки 3 в закрытое положение.
После осуществления определенного, заранее известного количества шагов шагового двигателя блока 4 перемещения, обеспечивающего открытое положение шторки 3, напряжения на обмотках шагового двигателя устанавливаются равными нулю вольт, то есть силовая часть блока 4 перемещения (шаговый двигатель) обесточивается. При этом шторка 3 остается в открытом положении за счет фиксатора 6. Потребление блока 4 перемещения в этом режиме минимально (приблизительно 50 мВт).
Также сразу после подачи напряжения питания на устройство приема излучения, оно поступает и на преобразователь 10 напряжения, который через диод 11 заряжает конденсатор 12, и на первый управляющий вход узла 13 коммутации, что обеспечивает его установку в закрытое состояние, то есть его второй вход отключается от его выхода.
Выходное напряжение преобразователя 10 напряжения соответствует требуемому напряжению питания механизма 9 перемещения фиксатора 6.
Узел 13 коммутации может быть выполнен, например, на твердотельном нормально замкнутом оптореле (потребление оптореле - не более 40 мВт).
При аварийном или штатном отключении напряжения питания устройства приема излучения, напряжение на первый управляющий вход узла 13 коммутации перестает поступать, что приводит к замыканию его второго входа и выхода.
При этом напряжение с заряженного конденсатора 12 подается на механизм 9 перемещения фиксатора 6.
Конденсатор 12 разряжается, то есть обеспечивается протекание тока через механизм 9 перемещения фиксатора 6 (обмотку соленоида).
За время протекания тока разрядки конденсатора 12 фиксатор 6, преодолевая противодействие возвратного механизма 8 фиксатора 6 (пружины), смещается (втягивается в соленоид) и выходит за пределы шторки 3.
Шторка 3 при этом разблокируется и под действием возвратного механизма 5 шторки 3 возвращается в закрытое положение.
После разряда конденсатора 12 (время разряда зависит от емкости конденсатора 12, величина которого выбирается достаточной для возвращения шторки 3 в закрытое положение) возвратный механизм 8 фиксатора 6 (пружина) разжимается. Диод 11 препятствует разряду конденсатора 12 через преобразователь 10 напряжения при отключении напряжения питания устройства приема излучения.
В течение всего времени подачи на устройство приема излучения напряжения питания измеритель 14 уровня заряда измеряет напряжение на конденсаторе 12.
min
Для нормальной работы механизма 9 перемещения фиксатора 6 это напряжение должно быть не менее определенной величины U.
max
С преобразователя 10 напряжения на конденсатор 12 поступает (с учетом падения на диоде 11) напряжение U.
max
min
Измеритель 14 уровня заряда работает в компараторном режиме с гистерезисом, равным ΔU=U-U.
В начале, при подаче на устройство приема излучения напряжения питания, напряжение на конденсаторе 12 будет равно нулю вольт.
В этом случае измеритель 14 уровня заряда через устройство 15 выключения включает преобразователь 10 напряжения.
max
Напряжение на конденсаторе 12 начинает расти и при достижении значения U измеритель 14 уровня заряда через устройство 15 выключения выключает преобразователь 10 напряжения.
min
Конденсатор 12 медленно разряжается (за счет токов утечки конденсатора 12, узла 13 коммутации и диода 11), и при достижении напряжения на нем уровня U измеритель 14 уровня заряда через устройство 15 выключения вновь включает преобразователь 10 напряжения.
max
max
min
вкл.
Напряжение на конденсаторе 12 вновь будет увеличиваться до уровня U, то есть напряжение на конденсаторе 12 будет периодически (с периодом Т) меняться в пределах от U до U. При этом время t нахождения преобразователя 10 напряжения во включенном состоянии будет значительно меньше времени нахождения в выключенном состоянии.
вкл.
Соотношение между Т и t, то есть скважность, будет определяться качеством (токами утечки) конденсатора 12, узла 13 коммутации и диода 11. Обычно скважность в подобных случаях имеет величину порядка 200-1000.
min
max
Мощность, потребляемая преобразователем 10 напряжения при заряде конденсатора 12 от напряжения U до напряжения U, незначительная, как правило, не более 30% от его номинальной мощности, и зависит, в том числе от величины гистерезиса ΔU, которая, как правило, невелика.
Средняя мощность потребления преобразователя 10 напряжения в рассматриваемом режиме не превышает 10 мВт.
Суммарная мощность, потребляемая измерителем 14 уровня заряда, который может быть выполнен, например, на маломощном компараторе, и устройством 15 выключения преобразователя 10 напряжения, которое может быть выполнено, например, на слаботочном оптореле, не превышает, как правило, 10 мВт.
В этом случае средняя мощность, потребляемая блоком 7 управления в режиме работы со шторкой 3, находящейся в открытом положении (основной рабочий, наиболее длительный режим) с учетом потребления узла 13 коммутации, равным 40 мВт, не превышает 60 мВт.
Общая мощность, потребляемая устройством приема излучения, составит в среднем величину до 300 мВт (0,3 Вт) с учетом того, что время перехода шторки из закрытого в открытое положение значительно меньше времени нахождения шторки в открытом положении (от нескольких сотен до нескольких тысяч раз).
Таким образом, выполнение устройства приема излучения в соответствии с предлагаемым техническим решением, позволяет снизить расход потребляемой им электрической энергии в среднем в 4-5 раз за счет периодического полного выключения преобразователя 10 напряжения в режиме работы с открытой шторкой с помощью измерителя 14 уровня заряда конденсатора и устройства 15 выключения с постоянным сохранением работоспособности блока управления.