Импульсный многоканальный источник вторичного электропитания с блоком сигнализации
Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к импульсным источникам вторичного электропитания, например для усилителей мощности беспилотного летательного аппарата (БПЛА), требующих одновременного электропитания с различными напряжениями и может быть использована в радиосвязи, радиолокации и других областях техники. Сущность полезной модели заключается в том, что в импульсном многоканальном источнике вторичного электропитания с блоком сигнализации (БС), 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), в состав введен, по меньшей мере, второй КФН, аналогичный первому, и упомянутый 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. Технический результат от использования полезной модели заключается в обеспечении одновременного электропитания различного напряжения путем введения, по меньшей мере, второго канала формирования напряжения и блока сигнализации о наличии напряжения во всех каналах формирования напряжения.
Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к импульсным источникам вторичного электропитания, например для усилителей мощности беспилотного летательного аппарата (БПЛА), требующих одновременного электропитания с различными напряжениями и может быть использована в радиосвязи, радиолокации и других областях техники.
За прототип выбран стабилизированный импульсный источник вторичного электропитания беспилотного летательного аппарата по патенту РФ 
144517 U1, 2014 г., МПК8 H02M 3/00, опубл. 25.08.2014 г., Бюл. 24.
Устройство - прототип содержит входной фильтр напряжения в виде сдвоенного и одиночного дросселей и конденсаторов на входах и выходах упомянутых дросселей (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 составе канала формирования напряжения, ) - названия в заявляемом устройстве), силового ключа, изолирующего силового трансформатора, выходного выпрямителя напряжения (выпрямителя выходного напряжения), фильтра выходного напряжения в виде одиночного дросселя и конденсаторов на его входе и выходе, ШИМ-контроллера с выпрямителем напряжения питания и фильтром напряжения питания, источника опорного напряжения и оптрона в виде светодиода и находящегося с ним в оптическом контакте фототранзистора.
Недостатком устройства - прототипа невозможность обеспечения одновременного электропитания двух и более напряжений.
Для некоторых устройств, например твердотельного усилителя импульсной сверхвысокочастотной мощности БПЛА требуется одновременное электропитание с двумя различными напряжениями по различным каналам формирования напряжения, при этом при отсутствии напряжения в одном из каналов устройство работает в нештатном режиме или выходит из строя.
Из изложенного видна необходимость в устройстве сигнализирующим об отсутствии напряжения в одном или обоих каналах формирования напряжения и передачи данных в блок контроля и управления БПЛА для осуществления необходимых действий.
Решаемой задачей является обеспечение одновременного электропитания различного напряжения путем введения, по меньшей мере, второго канала формирования напряжения и блока сигнализации о наличии напряжения во всех каналах формирования напряжения.
Сущность полезной модели заключается в том, что в импульсном многоканальном источнике вторичного электропитания с блоком сигнализации (БС), 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), в состав введен, по меньшей мере, второй КФН, аналогичный первому, и упомянутый 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 ко входам ПФВхН подключена бортовая сеть электропитания БПЛА, 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, первый и второй выходы которого подключены к потребителям БПЛА, а его третий выход, совпадающий со средней точкой, соединен со входом ФТ оптрона, выход которого подключен к сигнальному каналу БС, третий вход БС подключен ко входу СД оптрона и потребителям БПЛА, а выход СД - ко входу ИОН, выход которого и четвертый вход БС подключен к потребителям БПЛА.
Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении, назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов) и имеют большее быстродействие по сравнению с обычными диодами, применяются для уменьшения пульсации напряжения и повышения КПД.
ШИМ-контроллер - контроллер широтно-импульсной модуляции (Свободная энциклопедия Википедия).
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,
28 - делитель напряжения,
29 и 30 - резисторы.
Заявляемый импульсный многоканальный источник вторичного электропитания (ИВЭП) с блоком сигнализации (БС) работает следующим образом.
Электропитание от бортовой сети (на схеме не показана) поступает на входы () на схеме не обозначены) 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 БС БПЛА от электромагнитных помех, создаваемых ИВЭП, со второго выхода ВФВхН 7 напряжение через первый вход и выход СК 10 поступает на второй вход ПО 12 ИСТ 11, а с первого выхода ВФВхН 7 - на первый вход ПО 12 ИСТ 11, при открытии СК 10 ток в ПО 12 линейно увеличивается, а 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, 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, 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 происходит следующее.
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 М08РЕТ 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).
Технический результат от использования полезной модели заключается в обеспечении одновременного электропитания различного напряжения путем введения, по меньшей мере, второго канала формирования напряжения и блока сигнализации о наличии напряжения во всех каналах формирования напряжения.
Представленные описание и структурные схемы заявляемого импульсного многоканального источника вторичного электропитания с блоком сигнализации позволяют, используя известные в приборостроении материалы, технологии и покупные радиоэлектронные изделия, изготовить его промышленным способом и использовать в радиосвязи, радиолокации и других областях техники, для обеспечения одновременного электропитания различного напряжения по отдельным каналам формирования напряжения, а также сигнализации о наличии напряжения в этих каналах различных устройств, например твердотельного усилителя импульсной сверхвысокочастотной мощности БПЛА.
Импульсный многоканальный источник вторичного электропитания с блоком сигнализации, содержащий 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), отличающийся тем, что в состав введен, по меньшей мере, второй КФН, аналогичный первому, и упомянутый 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 ко входам ПФВхН подключена бортовая сеть электропитания БПЛА, 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, первый и второй выходы которого подключены к потребителям БПЛА, а его третий выход, совпадающий со средней точкой, соединен со входом ФТ оптрона, выход которого подключен к сигнальному каналу БС, третий вход БС подключен ко входу СД оптрона и потребителям БПЛА, а выход СД - ко входу ИОН, выход которого и четвертый вход БС подключены к потребителям БПЛА.
