Высоковольтное устройство электропитания радиопередатчика
RADIO TRANSMITTER HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к устройствам преобразования электрической энергии постоянного тока и может быть использовано, в частности, в качестве устройства электропитания радиопередатчика с выходным СВЧ-прибором в составе мобильной техники.
Известен высоковольтный источник электропитания (смотри описание к патенту РФ на полезную модель №54549, МПК7: Н02М 7/02, В23К 15/02, авторы Матвеев К.Д., Федотов В.А., Русанов В.В., Семенов В.Д., опубл. 10.07.2006), который содержит последовательно соединенные мостовой выпрямитель, импульсный преобразователь со схемой управления, фильтр, инвертор со схемой управления, блок ограничения тока со схемой управления, трансформаторно-выпрямительный блок, систему управления, два датчика напряжения, датчик тока, блок обратной связи.
Известный высоковольтный источник электропитания имеет следующие недостатки:
- неприемлемо высокие для СВЧ-прибора радиопередатчика уровни гармонических составляющих выходного напряжения высоковольтного источника электропитания в связи с тем, что с выхода инвертора на вход трансформаторно-выпрямительного блока поступает напряжение прямоугольной формы с крутыми фронтом и срезом, в результате чего минимальный достижимый уровень гармонических составляющих в доплеровском диапазоне частот выходного напряжения высоковольтного источника электропитания на два порядка превышает допустимое значение для входного напряжения СВЧ-прибора;
- регулирующий импульсный преобразователь понижающего типа работает в однотактном режиме и является низкочастотным по сравнению с двухтактным нерегулирующим инвертором повышенной частоты, что определяет низкую стабильность выходного напряжения высоковольтного источника электропитания, не отвечающую требованиям к входному напряжению СВЧ-прибора радиопередатчика.
Наиболее близким по назначению и технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является высоковольтная система электропитания (варианты) и электронный ключ для нее (смотри описание к патенту РФ на полезную модель №58002, МПК: Н05В 7/18, H01J 37/304, опубл. 27.10.2006, авторы Казанцев В.И., Хижняков П.М, Сергеев В.Г. и другие), содержащая силовой источник электропитания, схему управления, датчики тока и напряжения, блок защитных ключей, источник электропитания управляющих схем. В состав силового источника электропитания входят источник электроснабжения, один или несколько каналов преобразования электроэнергии, каждый из которых содержит мостовой резонансный преобразователь, высокочастотный трансформатор, выпрямитель и фильтр. Выходы фильтров могут быть соединены последовательно или параллельно с помощью схемы сложения. Данная полезная модель, как и заявляемая, относится к высоковольтным системам электропитания СВЧ-приборов, которая обеспечивает защиту подключаемой к ней нагрузки от воздействия заданных токов и напряжений, превышающих допустимые значения при аварийных режимах работы.
Недостатком данной полезной модели является невозможность получения низких значений нестабильностей и гармонических составляющих выходных напряжений как отдельных каналов, так и всей высоковольтной системы электропитания из-за использования одной системы управления для нескольких последовательно соединенных по выходу каналов преобразования электроэнергии, поскольку последние имеют различные характеристики входящих в них компонентов, различные распределенные параметры схем и, как следствие, различные параметры резонансных контуров, что делает невозможным использовать это устройство для электропитания СВЧ-прибора в составе радиопередатчика.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении стабильности и снижении уровня гармонических составляющих выходного напряжения высоковольтного устройства электропитания. Технический результат достигается за счет того, что высоковольтное устройство электропитания радиопередатчика снабжено выходным СВЧ-прибором и содержит источник электроснабжения постоянного тока, блок ключей, устройство управления, источник электропитания управляющих схем, один датчик тока и N устройств преобразования электрической энергии. Каждое из устройств преобразования электрической энергии содержит последовательно соединенные мостовой резонансный преобразователь с первым и вторым входами, высокочастотный трансформатор, выпрямитель и фильтр. При этом первые и вторые входы устройств преобразования электрической энергии соединены с первым и вторым выходами источника электроснабжения постоянного тока. В высоковольтное устройство электропитания радиопередатчика дополнительно введены емкостный накопитель, импульсный высоковольтный трансформатор и (N-1) датчиков тока, при этом датчик тока введен в каждое из устройств преобразования электрической энергии, вход каждого датчика тока соединен с первым выходом фильтра этого же устройства преобразования электрической энергии, а первый выход датчика тока соединен с третьим входом резонансного преобразователя этого же устройства преобразования электрической энергии, при этом емкостный накопитель первым выводом соединен с корпусом системы, а вторым выводом одновременно соединен со вторым выходом датчика тока N-гo устройства преобразования электрической энергии и с одним концом первичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора, другой конец которой соединен с силовым входом блока ключей, а вторичная обмотка импульсного высоковольтного трансформатора одним концом соединена с первым входом СВЧ-прибора радиопередатчика, а другим концом соединена с корпусом устройства и межобмоточным экраном импульсного высоковольтного трансформатора, при этом на второй вход СВЧ-прибора радиопередатчика подается сигнал управления переключателем частот, а на первый и второй входы устройства управления блоком ключей подаются соответственно сигналы управления непрерывным и импульсным режимами работы блока ключей, причем третий вход устройства управления блоком ключей соединен с выходом источника электропитания управляющих схем, а выход устройства управления блоком ключей соединен с первым входом блока ключей, на второй и до (N-1) входы которого подаются напряжения с первых выходов соответствующих устройств преобразования электрической энергии, при этом первым и вторым входами устройств преобразования электрической энергии являются соответственно первый и второй входы входящих в них мостовых резонансных преобразователей, а выходами устройств преобразования электрической энергии - вторые выходы входящих в них датчиков тока, при этом в каждый мостовой резонансный преобразователь дополнительно введены: двухтактный инвертор, устройство управления инвертором, датчик напряжения, датчик тока мостового преобразователя, дроссель, конденсатор и первый блок умножения, причем выходы конденсатора, являющиеся также и выходами мостового резонансного преобразователя, соединены с соответствующими входами высокочастотного трансформатора, причем датчик тока мостового преобразователя своим первым вводом соединен с первым выходом двухтактного инвертора, а своим вторым выводом соединен с первым выводом датчика напряжения и первым выводом дросселя резонансного контура, второй вывод которого соединен с первыми выводами конденсатора резонансного контура и первичной обмотки высокочастотного трансформатора, второй вывод которой соединен соответственно со вторым выводом датчика напряжения и со вторым выводом двухтактного инвертора, третий и четвертый выводы которого являются соответственно первым и вторым входами мостового резонансного преобразователя, причем первый вход первого блока умножения соединен с третьим выводом датчика напряжения, а второй вход первого блока умножения соединен с третьим выводом датчика тока мостового резонансного преобразователя, при этом третий вывод первого блока умножения соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, первым входом соединенного с источником эталонного напряжения, а вторым входом - с выходом датчика тока своего устройства преобразования электрической энергии, при этом выход сумматора последовательно соединен с интегратором, компаратором, R-входом RS-триггера, S-вход которого соединен с выходом тактового генератора и счетным входом триггера, а выход RS-триггера соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, причем парафазные выходы счетного триггера соединены со вторыми входами первого и второго логических элементов И, выходы которых соединены с соответствующими входами двухтактного инвертора, при этом с корпусом системы соединены силовой выход блока ключей и межобмоточные экраны высокочастотных трансформаторов и вторые выводы фильтров первого и второго устройств преобразования электрической энергии, а вторые выводы фильтров остальных устройств преобразования электрической энергии соединены с межобмоточными экранами трансформаторов, входящих в те же устройства преобразования электрической энергии, и одновременно с первыми выходами предыдущих устройств преобразования электрической энергии.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где представлена функциональная схема высоковольтного устройства электропитания радиопередатчика для мобильной техники.
N
2
N-1
Высоковольтное устройство электропитания радиопередатчика снабжено выходным СВЧ-прибором. Оно содержит источник электроснабжения постоянного тока 1, N устройств преобразования электрической энергии 2, каждое из которых содержит мостовой резонансный преобразователь 3 с первым и вторым входами, к выходу которого подключены последовательно соединенные высокочастотный трансформатор 4, выпрямитель 5 и фильтр 6, датчик тока 7, блок ключей 8 с транзисторами 9, устройство управления блоком ключей 10 с четырьмя входами и одним выходом. На первый и второй входы устройства управления 10 подаются сигналы управления непрерывным (СУНР) и импульсным (СУИР) режимами работы соответственно, третий вход соединен с выходом источника электропитания управляющих схем 11. Между силовым входом блока ключей 8 и первым выходом устройства преобразования электрической энергии 2 включена первичная обмотка импульсного высоковольтного трансформатора 12, вторичная обмотка которого подключена к первому входу СВЧ-прибора 13. Первый выход устройства 21 соединен с четвертым входом устройства управления 10, выход которого подключен к первому входу блока ключей 8, второй вход которого соединен с первым выходом устройства преобразования электрической энергии 2, a N-1 вход соединен с первым выходом устройства преобразования электрической энергии 2. В качестве СВЧ-прибора на фигуре показан магнетрон, на второй вход которого подается сигнал управления переключателем частот СУПЧ. Высокочастотные трансформаторы 4 выполнены с межобмоточными экранами, которые соединены со вторыми выходами соответствующих устройств преобразования электрической энергии 2.
Мостовой резонансный преобразователь 3 содержит двухтактный инвертор 14 и устройство 15 управления им, а также подсоединенные к выходу инвертора 14 датчик напряжения 16 и последовательно соединенные датчик тока 17, дроссель 18 и конденсатор 19 резонансного контура, выходы которого являются выходами мостового резонансного преобразователя 3, первый блок 20 умножения, входами соединенный с выходами датчика напряжения 16 и датчика тока 17, а выходом - с первым входом сумматора 21, второй блок умножения 22, входами соединенный с выходами датчика тока 7 и источника эталонного напряжения 23, а выходом - со вторым входом сумматора 21, выход которого соединен со входом интегратора 24, компаратор 25, вход которого соединен с выходом интегратора 24, а выход - с R-входом RS-триггера 26, к S-входу которого подключен выход тактового генератора 27 и вход счетного триггера 28, а выход RS-триггера подключен к первым входам первого 29 и второго 30 логических элементов И, парафазные выходы счетного триггера 28 соединены со вторыми входами первого 29 и второго 30 логических элементов И, выходы которых подключены к соответствующим управляющим входам двухтактного инвертора 14. К выходу устройства преобразования электрической энергии 2N подключен емкостный накопитель 31.
Высоковольтное устройство электропитания радиопередатчика работает следующим образом.
При подаче выходного напряжения источника электроснабжения постоянного тока 1 на входы устройств преобразования электрической энергии 2 на всех выходах последних появляются напряжения, которые приводят в состояние готовности к коммутации ключи 9 блока 8 и к заряду накопителя 31. По сигналу управления СУНР или СУИР на первый вход блока ключей 8 поступает сигнал, открывающий ключ 9 и приводящий к протеканию тока через первичную обмотку импульсного трансформатора 12, на вторичной обмотке которого индуцируется высоковольтное напряжение, переводящее в открытое состояние СВЧ-прибор. Перевод СВЧ-прибора в закрытое состояние осуществляется прекращением подачи сигнала СУНР или СУИР на устройство управления 10.
Мостовой резонансный преобразователь 3 функционирует следующим образом.
При подаче импульса тактового генератора 27 на S-вход RS-триггера 26 последний переключается в состояние высокого логического уровня и с парафазных выходов счетного триггера 28 подаются управляющие сигналы поочередно на вход первого 29 или второго 30 логического элемента И, выходные сигналы которых открывают поочередно коммутирующие компоненты двухтактного инвертора 14, в результате чего в выходной цепи его начинает протекать ток, который вызывает появление сигналов от датчика тока 17 и от датчика напряжения 16. Эти сигналы подаются на входы первого блока умножения 20, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный выходной мощности инвертора 14 и имеющий полярность, противоположную полярности полученного от второго блока умножения 22 сигнала, который является результатом умножения сигналов от датчика тока 7 и источника эталонного напряжения 23. Сигналы от первого 20 и второго 22 блоков умножения подаются на входы сумматора 21, с выхода которого сигнал поступает на вход последовательной цепи «интегратор 24 -компаратор 25 - RS-триггер 26». Поступление тактовых импульсов на вход управления коммутирующими компонентами инвертора 14 вызывает появление напряжения на его выходе, причем напряжение на выходе интегратора 24 пропорционально поступившему на вход управления сигналу с выхода второго блока 22 умножения. При этом емкость интегратора 24 начинает разряжаться и напряжение на его выходе начинает снижаться. При полном разряде емкости интегратора срабатывает компаратор 25 и выдает сигнал на R-вход RS-триггера 26 для перевода его в состояние низкого логического уровня, в результате чего на выходе инвертора 14 формируется спад рабочего импульса.
Положительный эффект при работе мостового резонансного преобразователя заключается в том, что интегратор сравнивает вольт-амперные характеристики двух сигналов, благодаря чему улучшается стабилизация выходного напряжения высоковольтной системы электропитания. С одной стороны, выходной сигнал первого блока умножения характеризует выходную мощность инвертора, с другой стороны, выходной сигнал второго блока умножения характеризует входную мощность СВЧ-прибора и учитывает нестабильности, которые вносятся трансформатором 4, выпрямителем 5 и фильтром 6. Одновременно учитываются пульсации напряжения, вызванные ограниченной рабочей частотой инвертора. При передаче мощности, определяемой одновременно выходными напряжением и током инвертора 14, резонансный контур, содержащий дроссель 18 и конденсатор 19, не вносит фазовых сдвигов в отличие от схемы с отдельными обратными связями по напряжению или току. Это позволяет повысить коэффициент передачи цепи обратной связи при сохранении устойчивой работы системы регулирования, что используется для снижения уровня пульсаций напряжения. Следовательно, при изменении мощности, потребляемой СВЧ-прибором, обеспечивается стабилизация высоковольтного напряжения на его входе с низким уровнем гармонических составляющих.
В качестве источника электроснабжения постоянного тока 1 используется батарея аккумуляторов (ионисторов), благодаря чему входное напряжение устройств преобразования электрической энергии 2 и источника электропитания управляющих схем 11 имеет уровень пульсаций и гармонических составляющих значительно ниже по сравнению с напряжением выпрямленного тока от сетевого источника электроснабжения в прототипе.
Промышленная реализация предложенного изобретения сложностей не представляет.