ИСТОЧНИК ПРЕЦИЗИОННОГО ПИТАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКОЙ РЕЖИМА РАБОТЫ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ТЕРАГЕРЦОВОГО ДЕТЕКТОРА

Полезная модель относится к источникам питания, в частности, к прецизионным, перестраиваемым и стабилизированным источникам тока или напряжения, позволяющим управлять сверхпроводниковыми терагерцовыми детекторами (далее детектор).
Источники прецизионного питания сверхпроводниковых терагерцовых детекторов.
Из патента РФ RU 2467376 (опубликован 20.11.2012; МПК G05F 1/10, G05B 11/00) известен регулятор напряжения, предназначенный для использования в системах электроснабжения. Он содержит вычислительно-измерительный блок, и, по крайней мере один регулирующий блок, при этом он дополнительно содержит блок настройки и блок памяти, причем первый выход вычислительно-измерительного блока соединен со входом управления регулирующего блока, а силовой вход регулирующего блока соединен с соответствующим входом регулятора напряжения, силовой выход регулирующего блока соединен с выходом регулятора напряжения, вход и выход регулятора напряжения соединены также со входами измерения входного и выходного напряжения вычислительно-измерительного блока соответственно, второй из выходов вычислительно-измерительного блока соединен со входом блока настройки, а выход блока настройки соединен со входом блока памяти, причем выход блока памяти соединен с соответствующим входом вычислительно-измерительного блока.
Технический результат заключается в увеличении точности и надежности регулятора напряжения и упрощении конструкции.
Недостатком указанного известного решения является возможность появления в выходном сигнале наводок от источника питания регулятора напряжения, что препятствует его использованию для питания высокоточных устройств, таких как высокочувствительные сенсоры.
Патент США US 6476582 (опубликован 05.11.2002; МПК G05F 1/00, Н01М 10/42, Н01М 10/44, H02J 7/00). Указанный патент описывает источник питания, предназначенный для измерительных систем с низким уровнем шума или для измерений характеристик электронных компонентов, таких как высокочувствительные сенсоры, когда шумы от внешнего источника переменного тока оказывают влияние на измеряемые характеристики.
Источник питания содержит блок питания, заключенный в экран для защиты от внешних наводок и позволяющий точно регулировать выходной ток или напряжение. Он также содержит блок батарей и магазин сопротивлений для задания требуемого выходного напряжения или тока; блок управления и контроля блока питания; блок двухсторонней передачи сигнала для конвертирования электрического сигнала от блока управления и контроля в оптический или акустический сигнал и передачи его блоку питания, и наоборот. Таким образом, блок питания и блок управления и контроля блока питания электрически изолированы друг от друга.
Блок питания включает:
- блок контроля включения/выключения, получающий необходимое для его работы питание от батареи. При получении оптического сигнала включения от блока управления и контроля он подает питание на функциональные блоки блока питания, а при получении сигнала выключения - выключает подачу питания на функциональные блоки блока питания;
- блок контроля батарей, посредством которого выбирается необходимое количество последовательно соединенных батарей, причем оно поддерживается после снятия управляющего напряжения;
- блок управления магазином сопротивлений, устанавливающих нужное сопротивление и поддерживающее его после снятия управляющего напряжения;
- блок управления блоком питания, который на основе команд управления от блока контроля и управления, управляет батареями (их подключением и отключением) и магазином сопротивлений, таким образом управляя током или напряжением.
Как только требуемый ток или напряжение установлены, предусмотрена возможность отключения от основного (внешнего) источника питания с целью исключения наводок. Источник питания дополнительно может включать в себя зарядное устройство для зарядки батарей.
Недостатком рассматриваемого технического решения является то, что аккумуляторная батарея используется для питания самого устройства (его аналоговой части), а не для питания внешнего устройства, например, чувствительного детектора.
Патент RU 2474948 (опубликован 10.02.2013; МПК Н02М 3/338). Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (DC/DC), получающим входное питание в широком диапазоне, и может быть использовано в источниках вторичного электропитания для потребителей различных объектов промышленного и военного назначения. Техническим результатом изобретения является повышение надежности путем упрощения схемы управления транзисторных ключей, качественная стабилизация выходного напряжения при нулевом и при максимальном токе нагрузки. Указанный технический результат достигается за счет применения генератора, управляемого напряжением (ГУН), формирователей импульсов с фазой 0° и 180°, драйверов тока для коммутации силовых транзисторных ключей, введением прецизионного регулятора напряжения и датчика тока нагрузки. Постоянное отслеживание значения выходного напряжения и тока нагрузки позволяет автоматически контролировать частоту импульсов управляющего генератора (ГУН), обеспечивая точность значения выходного напряжения при любом значении тока нагрузки.
Известный стабилизированный преобразователь напряжения имеет недостаток, состоящий в использовании сложной схемы управления коммутацией транзисторных ключей с помощью времязадающей RC-цепочки, формирователей, усилителя рассогласования, трансформатора с значительным количеством обмоток, что делает технологически сложным обеспечение его надежности.
Патент SU 1793433 A1 (опубликовано 07.02.1993, МПК G05F 1/46, Н02М 7/12). Использование: в качестве стабилизированного источника электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит трехфазный силовой трансформатор, датчик тока нагрузки, выпрямитель на л тиристорах и линейный стабилизатор напряжения. Линейный стабилизатор выполнен на дополнительном выпрямителе, регулирующем транзисторе и микроэлектронном стабилизаторе напряжения. К выходу линейного стабилизатора подключено параллельно включенных цепочек. Каждая цепочка состоит из переменного и ограничительного резисторов, последовательно соединенных друг с другом, светодиода и оптрона. Фототранзистор оптрона каждой цепочки включен через развязывающий диод в цепь анод-управляющий электрод соответствующего тиристора выпрямителя.
Патент на полезную модель №137798 «Источник прецизионного питания». Антипов А.А., Ожегов Р.В., Тройский П.В., Розенталь В.А. (Класс МПК7: G05F1). Патент описывает полезную модель источника прецизионного питания, предназначенную для измерительных систем с низким уровнем шума или для измерений характеристик электронных компонентов, таких как высокочувствительные сенсоры, когда шумы от внешнего источника переменного тока оказывают влияние на измеряемые характеристики.
Источник прецизионного питания включает в себя гальванически развязанные аналоговую и цифровую части источника питания, при этом аналоговая часть также включает источник смещения для задания требуемого значения тока или напряжения во время работы внешнего устройства (детектора) и обеспечения режима стабилизации соответственно тока или напряжения, адаптер питания для развязки питания подключаемого внешнего устройства и снимаемого с него электрического сигнала, и усилитель для регистрации сигнала от внешнего устройства, цифровая часть включает микроконтроллер для управления с источником смещения, панель управления и дисплей для обеспечения возможности выставления пользователем необходимого значения тока или напряжения на источнике смещения, и блок подключения персонального компьютера к источнику питания, питание аналоговой части осуществляется от аккумулятора.
Недостатком ближайшего аналога является невозможность использования его для управления сверхпроводниковым терагерцовым детектором, а также отсутствие возможности мониторинга режима работы детектора.
Наиболее близкий аналог рассматриваемого технического решения раскрыт в патенте на полезную модель №186324 «Источник прецизионного питания с системой мониторинга режима работы сверхпроводникового терагерцового детектора», Елезов М.С., Ожегов Р.В., Гольцман Г.Н. (Класс МПК7: Н02М3, G05F1). Патент описывает полезную модель источника прецизионного питания, предназначенную для терагерцовой техники с низким уровнем шума или для измерений характеристик электронных компонентов, таких как высокочувствительные сверхпроводниковые терагерцовые детекторы, когда шумы от внешнего источника переменного тока оказывают влияние на измеряемые характеристики.
Источник прецизионного питания может быть выполнен с возможностью подачи на сверхпроводниковые терагерцовые детекторы стабилизированного значения тока/напряжения, постоянного во времени и изменяющегося в заданном интервале с одновременной регистрацией сигнала от каждого из детекторов. Система мониторинга позволяет отслеживать состояния детекторов.
Технический результат достигается благодаря тому, что источник прецизионного питания сверхпроводникового терагерцового детектора включает гальванически развязанные аналоговую и цифровую части. Аналоговая часть имеет модульное устройство и может содержать один или несколько модулей (в дальнейшем именуемые каналами). Каналы технически взаимозаменяемы, что приводит к возможности оперативной физической замены неработающего канала на запасной. Питание аналоговой части осуществляется от аккумуляторов с возможностью периодической зарядкой от сети. Каждый канал состоит из:
- источника питания сверхпроводникового терагерцового детектора, позволяющий задать требуемое значение тока/напряжения смещения в режиме стабилизации тока/напряжения,
- адаптера питания для развязки питания подключаемого сверхпроводникового терагерцового детектора и снимаемого с него электрического сигнала
- усилителей для усиления сигнала от сверхпроводникового терагерцового детектора
- системы с функцией защиты от внешней электромагнитной наводки.
- аккумулятор.
Цифровая часть включает микроконтроллер для управления каналами, панель управления и дисплей для обеспечения возможности выставления пользователем необходимого значения тока/напряжения на каждом отдельном источнике питания, и блок подключения персонального компьютера для управления модульной системой источников питания.
Недостатком ближайшего аналога является отсутствие возможности автоматического поддержания рабочего режима сверхпроводникового терагерцового детектора, т.е. удержание детектора в рабочем режиме необходимо проделывать в ручную.
Заявляемая полезная модель призвана устранить вышеуказанные недостатки известных технических решений и обеспечить создание прецизионного, перестраиваемого источника питания с высокой стабильностью значений выходных параметров для автоматического удержания сверхпроводникового терагерцового детектора в рабочем режиме.
Техническим результатом является повышение точности и стабильности питания сверхпроводникового терагерцового детектора, в частности, когда предусмотрена обратная связь между источником питания и подключенным к нему детектором, а также возможность автоматического поддержания рабочего режима детектора при различным внешних условиях.
Технический результат достигается благодаря тому, что источник прецизионного питания включает гальванически развязанные аналоговую и цифровую части, причем питание аналоговой части осуществляется от аккумулятора. Аналоговая часть включает источник смещения для задания требуемого значения тока/напряжения и обеспечения соответствующего режима стабилизации тока/напряжения, адаптер питания для развязки питания подключаемого внешнего устройства и снимаемого с него электрического сигнала, усилитель для регистрации сигнала от внешнего устройства, систему мониторинга, а также систему автоматического поддержания рабочего режима сверхпроводникового терагерцового детектора. Цифровая часть включает микроконтроллер для управления источником смещения, панель управления и дисплей для обеспечения возможности выставления пользователем необходимого значения тока/напряжения на источнике смещения, и блок подключения персонального компьютера к источнику питания.
Основным отличием заявляемого изобретения от ближайшего аналога является наличие системы автоматического поддержания сверхпроводникового терагерцового детектора в рабочем режиме.
Далее полезная модель более подробно раскрывается со ссылкой на фиг. 1., на которой показана блок-схема заявляемого источника прецизионного питания.
Блок-схема источника прецизионного питания включает в себя две основные компоненты: цифровую часть (I) и аналоговую часть (II).
Цифровая часть (I) источника питания включает панель управления (1), микроконтроллер (2), дисплей (3), блок (4) подключения персонального компьютера к источнику питания.
Панель управления (1) и дисплей (3) служат для выставления пользователем необходимых токов и напряжений на самом источнике питания. Основной функцией микроконтроллера (2) является осуществление взаимодействия пользователя через панель управления (1), дисплей (3), блок (4) подключения персонального компьютера с блоками источников смещения (6) и (11) аналоговой части (II).
С помощью персонального компьютера через блок (4) и микроконтроллера (2) осуществляется управление источниками смещения для реализации стационарного и динамического режимов питания (работы) детектора и нагревательного элемента, а также зарядки аккумулятора (10). В стационарном режиме задается постоянное во времени стабилизированное значение тока/напряжения на внешнем устройстве. В динамическом режиме стабилизированное значение тока/напряжения изменяется в заданном интервале с одновременным снятием электрического сигнала с внешнего устройства.
Чтобы свести к минимуму влияние внутренних наводок и помех, цифровая (I) и аналоговая (II) части источника прецизионного питания электрически развязаны с помощью гальванической развязки (5).
Аналоговая часть (II) включает в себя один или несколько идентичных друг другу канала. Каждый канал включает в себя источник смещения (6) сверхпроводникового терагерцового детектора, источник смещения (11) нагревательного элемента, адаптер питания (7), высокочастотный усилитель (8), аккумулятор (10) и систему мониторинга для отслеживания состояния сверхпроводникового терагерцового детектора (9). Источник смещения (6) задает необходимые ток/напряжение для требуемого рабочего режима детектора. Также он обеспечивает функционирование режимов стабилизации тока/напряжения на внешнем устройстве. Адаптер питания (7) осуществляет развязку питания, подаваемого на детектор, и снимаемого с него электрического сигнала. Слабый сигнал с детектора усиливается усилителем (8) и регистрируется измерительным прибором (спектр-анализатор, селективный вольтметр, кристаллический детектор, цифровой вольтметр).
Питание аналоговой части (II) источника прецизионного питания осуществляется от аккумулятора (10), поскольку он является источником наименьших шумов и наводок во внешнем устройстве, тем самым обеспечивая наиболее стабильную работу последнего. Аккумулятор позволяет исключить электрические шумы, идущие от электрической сети. Периодическая зарядка аккумулятора производится путем прекращения подачи питания на детектор и подключения аккумулятора к сети. Зарядка может производится в ручном или автоматическом режимах. Цифровая часть (I) источника прецизионного питания может питаться от сетевого адаптера, поскольку она электрически развязана с аналоговой частью (II) и к ней не предъявляются высокие требования по параметру шумов и наводок.
Для автоматического поддержания сверхпроводникового терагерцового детектора в рабочем режиме нужен:
- источник смещения детектора;
- нагревательный элемент;
- источник смещения нагревательного элемента.
b
b
Источник смещения детектора позволяет обеспечить установку требуемого уровня тока I и напряжения U, при которых детектор имеет свою минимальную шумовую температуру. Источник смещения детектора дает возможность осуществлять грубую и плавную перестройку шага тока/напряжения, тем самым позволяя выставлять необходимые их значения с достаточно высокой точностью. Необходимость в подстройке источника питания связана с тем, что все терагерцовые детекторы имеют незначительное отличие по своим рабочим параметрам, в том числе и по величине критического тока образца, т.е. каждый отдельный детектор требует задания своего рабочего тока/напряжения.
В частном случае, исполнение источника прецизионного питания для сверхпроводникового терагерцового детектора предусматривается режим стабилизации по току при этом диапазон изменения тока в режиме стабилизации составляет от -300 до 300 мкА с временной стабильностью не хуже 0,1 мкА, а диапазон изменения напряжения в режиме стабилизации составляет от -10 до 10 мВ с временной стабильностью не хуже 10 мкВ. Шаг перестройки тока в режиме стабилизации составляет 0,05 мкА и 5 мкА соответственно для плавной и грубой регулировки тока. В режиме стабилизации по напряжению шаг перестройки напряжения смещения составляет 0.01 мВ.
b
b
Система мониторинга позволяет отслеживать напряжение U на детекторе и ток I, текущий через него.
Принцип работы сверхпроводникового терагерцового детектора основан на контролируемом подавлении сверхпроводящего состояния детектора, которое обусловлено поглощением некоторого количества энергии электронной подсистемой пленки и последующим остыванием электронной подсистемы через релаксацию избыточной энергии с помощью электрон-электронное и электрон-фононное взаимодействие с фононной подсистемой подложки, на которую нанесен сверхпроводник. Данный процесс релаксации сопровождается появление импульса переменного напряжения на промежуточной частоте на выходе детектора. Источником этой дополнительной энергии может служить либо электромагнитное излучение, в частности гетеродинный источник, либо рабочая температура, при которой находится сверхпроводящая пленка терагерцового детектора. Учитывая тот факт, что детектор работает в близи своей критической температуры сверхпроводящего перехода, оба фактора - электромагнитное излучение и температура ванной оказывают одинаковый эффект на электронную подсистему пленки, что используется в предлагаемой полезной модели.
Рабочая точка детектора определяется максимальной крутизной зависимости сопротивления детектора от температуры (см. Фиг. 2.), что соответствует середине сверхпроводящего перехода. В этой точке детектор обладает наибольшей чувствительностью при минимальной шумовой температуре. С точки зрения вольт-амперных характеристик, данная рабочая точка будет представлена некоторой областью, обозначенной овалом на фиг. 3. Удержание рабочей точки детектора в данной рабочей области за счет подстройки напряжения смещения и рабочей температуры детектора является основной особенностью данной полезной модели.
Алгоритм автоматической подстройки рабочей точки детектора показан на фиг. 4.
В память микроконтроллера записываются калибровки терагерцового детектора. Среди них имеются данные зависимости вольт-амперных характеристик детектора при температуре 4.2 К и в диапазоне температур от 6 К до 12 К с шагом 0.2 К и калибровка шумовой температуры детектора в зависимости от напряжения и тока смещения. Параметры рабочего режима индивидуальны для каждого детектора. Поэтому при использовании нового детектора, в памяти микроконтроллера необходимо перезаписать информацию о его характеристиках. Также необходимо обеспечить тепловой контакт между чипом терагерцового детектора и нагревательным элементом.
1
op
d
d
op
op
op
d
op
d
op
Перед выводом в рабочий режим терагерцовый детектор охлаждается до температуры T=4.2 К. Источник прецизионного питания переходит в режим стабилизации по напряжению. На детектор подается напряжение U, при этом ток смещения I измеряется с помощью системы мониторинга. Далее детектор нагревают с помощью нагревательного элемента до тех пор, пока ток на детекторе I не станет равным I. Напряжение на нагревательном элементе зависит от критического тока смещения детектора при температуре 4.2К и варьируется от 0.5 до 5 В. На детекторе ток должен быть таким, чтобы точка с координатами (U, I) находилась в области вольт-амперной характеристики с минимальной шумовой температурой (см. Фиг. 3.) терагерцового детектора. Если ток I<I-ΔI, то на напряжение на нагревательном элементе нужно уменьшить на величину ΔU=10 мВ. ΔI имеет значение 0.1 мкА. Если ток I>I+ΔI, то на напряжение на нагревательном элементе нужно увеличить на величину ΔU. Опрос состояния детектора, повторяется каждые 100 мс. Точность поддерживаемой температуры детектора 0,05 К
Таким образом, заявляемый источник прецизионного питания позволяет повысить точность и стабильность работы терагерцового детектора за счет автоматической подстройки рабочего режима.