Устройство для автоматического регулирования напряжения питания каротажных приборов

 

Изобретение относится к устройствам для автоматического регулирования напряжения и предназначено, например, для питания скважинной измерительной аппаратуры, соединенной с наземным источником питания линией связи длиной 3-5 км, электрическое сопротивление которой может достигать 100 Ом и более. Технический результат заключается в расширении диапазона регулирования выходного напряжения устройства при обеспечении высокого КПД. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для автоматического регулирования напряжения питания для каротажных приборов содержит широтно-импульсный модулятор (ШИМ), блок питания, двухполярный ключевой блок, сглаживающий блок. Блок питания подключен к двухполярному входу ключевого блока, управляющий вход которого соединен с двухполярным выходом ШИМа, а двухполярный выход подключен к дифференциальному входу отрицательной обратной связи ШИМа и через двухполярный сглаживающий блок соединен с линией связи. Широтно-импульсный модулятор содержит D-триггер, на C-вход которого подключен задатчик частоты, а на D-вход подключен компаратор, на один из входов которого подключен задатчик напряжения, а на другой - дифференциальный усилитель, к входу которого подключена двухполярная интегрирующая цепь, выполненная на резисторах и конденсаторе, прямой и инверсный выходы D-триггера являются двухполярным выходом ШИМа. Двухполярный ключевой блок выполнен на двух комплементарных парах полевых транзисторов. Сглаживающий блок состоит из последовательно соединенных индуктивных элементов и конденсаторов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройствам для автоматического регулирования напряжения и предназначено, например, для питания скважинной измерительной аппаратуры, соединенной с наземным источником питания линией связи длиной 3-5 км, электрическое сопротивление которой может достигать 100 Ом и более.

Падение напряжения на проводах линии связи при типичных для скважинных приборов токах потребления (0,5-1,0 А) составляет при этом порядка 50-100 В, что даже при небольших напряжениях питания скважинных приборов (10-20 В) требует от наземного источника питания создания напряжений, превышающих 60-120 В.

Наземный источник питания должен также предоставлять возможность регулировки своего выходного напряжения в зависимости от глубины скважины, обусловливающей длину проводов используемой линии связи и, следовательно, величину падения напряжения на них.

Известно, что в источниках питания с непрерывным регулированием КПД обычно пропорционален отношению выходного напряжения ко входному и поэтому сравнительно невелик (40-60%), что является следствием значительного рассеяния мощности на выходных регулирующих транзисторах, нуждающихся в теплоотводе. Стремление избежать перегрева ведет к росту габаритов (за счет применения радиаторов, вентиляторов и пр.) и неэффективным потерям от теплового рассеяния энергии.

Известно устройство для передачи напряжения питания и цифровой информации к каротажным приборам по двухпроводной линии связи, содержащее приемный и передающий блоки, причем передающий блок содержит блок управления и информационный блок, соединенные с преобразователем напряжения, работающим в импульсном режиме, а приемный блок содержит приемник, импульсный трансформатор и источник питания (см. , например, а.с. N 1830625 кл. H 04 В 3/54 опубл. 1993 г.).

Это устройство работает с высоким КПД, но оно не позволяет регулировать напряжение на своем выходе.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство для автоматического регулирования напряжения, содержащее широтно-импульсный преобразователь, подключенный выходом к одному из входов блока сравнения, выход которого через блок управления подключен к соответствующему входу широтно-импульсного преобразователя, задающий блок подключен ко второму входу блока сравнения и к одному из входов блока деления, выход которого связан с третьим входом блока сравнения, соответствующие входы блока деления и широтно-импульсного преобразователя соединены с блоком питания (см., например, а.с. N 481020 кл. G 05 F 1/10 опубл. 1975 г.) Недостатком этого устройства является ограниченный диапазон регулировки выходного напряжения.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования выходного напряжения устройства при обеспечении высокого КПД.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для автоматического регулирования напряжения питания каротажных приборов, содержащее широтно-импульсный модулятор и блок питания, снабжено ключевым и сглаживающим блоками, выполненными двухполярными, при этом двухполярный вход ключевого блока подключен к разным полюсам блока питания, двухполярный управляющий вход ключевого блока соединен с двухполярным выходом широтно-импульсного модулятора, выполненного двухполярным, а двухполярный выход ключевого блока подключен к дифференциальному входу широтно-импульсного модулятора и двухполярному сглаживающему блоку.

Двухполярный широтно-импульсный модулятор выполнен на компараторе, задатчике напряжения, D-триггере, задатчике частоты, дифференциальном усилителе и двухполярной интегрирующей цепи, при этом один из входов компаратора подключен к задатчику напряжения, а другой соединен с выходом дифференциального усилителя, на вход которого включена двухполярная интегрирующая цепь, вход которой является дифференциальным входом широтно-импульсного модулятора, выход компаратора подключен к D-входу D-триггера, вход синхронизации которого соединен с задатчиком частоты, причем прямой и инверсный выходы D-триггера являются двухполярным выходом широтно-импульсного модулятора.

Двухполярный ключевой блок выполнен на двух комплементарных парах полевых транзисторов и двухполярном блоке управления затворами полевых транзисторов, причем стоки одинаковых по типу канала проводимости полевых транзисторов объединены между собой и образуют двухполярный вход ключевого блока, истоки каждой комплементарной пары полевых транзисторов соединены между собой и образуют двухполярный выход ключевого блока, затворы каждой комплементарной пары полевых транзисторов также объединены между собой и подключены к выходу двухполярного блока управления затворами полевых транзисторов, вход которого является двухполярным управляющим входом ключевого блока.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство для автоматического регулирования напряжения питания для каротажных приборов содержит (см. фиг. 1) широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 1, блок питания 2, двухполярный ключевой блок 3, сглаживающий блок 4. Кроме того, на фиг. 1 изображена двухпроводная линия связи 5 и 6, соединенная с нагрузкой 7.

Блок питания 2 подключен к двухполярному входу ключевого блока 3, двухполярный управляющий вход которого соединен с двухполярным выходом ШИМа 1, а двухполярный выход подключен к дифференциальному входу отрицательной обратной связи ШИМа 1 и через двухполярный сглаживающий блок соединен с линией связи 5 и 6.

Широтно-импульсный модулятор 1 содержит D-триггер 8, на C-вход которого подключен задатчик частоты 9, а на D-вход подключен компаратор 10, на один из входов которого подключен задатчик напряжения 11, а на другой - дифференциальный усилитель 12, к входу которого подключена двухполярная интегрирующая цепь 13, выполненная на резисторах R₁, R₂, R₃ и конденсаторе C₃, прямой и инверсный выходы D-триггера являются двухполярным выходом ШИМа 1.

Двухполярный ключевой блок 3 выполнен на двух комплементарных парах полевых транзисторов (T₁, Т₃ - n-канальные; Т₂, Т₄ - p-канальные), причем стоки одинаковых по типу канала проводимости полевых транзисторов (Т₁, Т₃ и Т₂, Т₄) объединены между собой и подключены к разным полюсам блока питания 2, истоки каждой комплементарной пары полевых транзисторов (Т₁, Т₂ и Т₃, Т₄) соединены между собой и образуют двухполярный выход ключевого блока 3, подключенный к дифференциальному входу отрицательной обратной связи ШИМа 1 и входу двухполярного сглаживающего блока 4, затворы каждой комплементарной пары полевых транзисторов также объединены между собой и подключены к выходу двухполярного блока управления 14 затворами полевых транзисторов, вход которого является двухполярным входом управления ключевого блока 3.

Сглаживающий блок 4 состоит из соответственно последовательно соединенных индуктивных элементов L₁, L₂ и конденсаторов C₁, C₂. Причем точки соединения индуктивных элементов и конденсаторов являются двухполярным выходом сглаживающего блока 4, другие концы конденсаторов C₁, C₂ подключены к точке нулевого потенциала блока питания 2, а другие концы индуктивных элементов являются двухполярным входом сглаживающего блока 4.

Устройство работает следующим образом.

Для упрощения рассмотрим вначале режим холостого хода устройства, т.е. его работу при отключенной линии связи 5 и 6 с нагрузкой 7 от клемм EF для трех случаев задающего напряжения (U₀) на выходе задатчика 11 напряжения, полностью характеризующих поведение схемы: U₀ = OB (нулевое напряжение) U₀ = +U₀ (положительное напряжение) U₀ = -U₀ (отрицательное напряжение) В первый момент времени (см. фиг. 1), когда в двухполярном ключевом блоке 3 транзисторы T₁ и Т₄ открыты, а Т₂ и Т₃ закрыты, в т. C и в т. D возникают соответственно положительное и отрицательное напряжения. В двухполярной интегрирующей цепи 13 конденсатор C₃ начинает заряжаться (см. фиг. 2, б) от отрицательного (т. J), в котором он находился ранее до положительного напряжения (т. L).

Напряжение на выходе дифференциального усилителя 12 в какой-то момент времени сравняется с напряжением, поступающим с задатчика напряжения 11 ШИМа1 U₀= 0. В этот момент (т. К на фиг. 2,б) произойдет срабатывание компаратора 10 (см. фиг.2,в). Но этого условия недостаточно для срабатывания D-триггера 8. Он сработает, когда на вход "С" поступит спадающий фронт очередного импульса от генератора 9 (см. фиг. 2,а), представляющего собой кварцевый генератор с делителем частоты. Тогда на инверсном выходе D-триггера 8 появится импульс (см. фиг. 2, г), который через устройство управления 14 затворами ключевого блока 3 закроет транзисторы T₁ и Т₄ и откроет транзисторы Т₂ и Т₃, которые будут открыты некоторое время для прохождения напряжения противоположной полярности с выхода (тт. С и Д на фиг. 1) двухполярного ключевого блока 3, включенного в цепь отрицательной обратной связи ШИМа 1.

Конденсатор C₃ двухполярной интегрирующей цепи 13 начнет разряжаться с т. L до т. G (см. фиг. 2,б). При этом напряжение на выходе дифференциального усилителя 12 сравняется с сигналом U₀ = 0. Произойдет очередное срабатывание компаратора 10 и, когда на счетный вход D-триггера поступит спадающий фронт очередного импульса от генератора 9 (т. L), переключится ключевой блок 3. Таким образом осуществляется цикличность переключений ключевого блока 3.

Блок 14 управления затворами полевых транзисторов преобразует напряжения логических уровней 0 и 1 в соответствующие напряжения -U₃ и +U₃, необходимые для открытия и запирания полевых транзисторов T₁...Т₄. Напряжение +U₃ открывает транзисторы T₁, Т₃ и закрывает транзисторы Т₂, Т₄, а напряжение -U₃ соответственно запирает транзисторы T₁, Т₃ и открывает транзисторы Т₂, Т₄.

Таким образом, пока U_oc < U₀ = 0 транзисторы T₁, Т₄ открыты, а Т₂, Т₃ - закрыты. Вследствие этого возникает следующая цепь для протекания тока: положительный полюс (+U_п) блока питания 2, точка А, открытый транзистор T₁ ключевого блока 3, точка С, резисторы R₃,R₂∥C₃,R₁ интегрирующей цепи 13, точка D, открытый транзистор Т₄ ключевого блока 3, точка В, отрицательный полюс (-U_п) блока питания 2. Иными словами напряжения +U_п (точка А) и -U_п (точка В) уменьшенные на величину падения напряжений U_т на открытых полевых транзисторах T₁, Т₄ (точки С, D), прикладываются ко входам (R₁, R₃) интегрирующей цепи 13, где понижаются в раз, сглаживаются конденсатором C₃, преобразуются в дифференциальном усилителе 12 в сигнал обратной связи U_ос, который поступает на второй вход компаратора 10 (см. фиг. 2 б,г). Как только напряжение обратной связи U_ос вследствие заряда конденсатора С₃ в интегрирующей цепи 13, станет равным U_ос=U₀=0, компаратор 10 установится в состояние логической 1 с учетом прихода импульса с генератора 9. Это приводит к открытию транзисторов Т₂, Т₃ и закрытию T₁, Т₄ в ключевом блоке 3, что приводит к возникновению новой цепи протекания тока, а именно положительный полюс (+U_п) блока питания 2, точка А, открытый транзистор Т₃ ключевого блока 3, точка D, резисторы R₁,R₂∥C₃,R₃, точка С, открытый транзистор T₂ ключевого блока 3, точка В, отрицательный полюс (-U_п) блока питания 2. Полярность напряжения в точках C, D (U_cD) меняется на противоположную, что вследствие перезаряда конденсатора C₃ приводит к уменьшению U_ос до значения, равного U_ос= U₀= 0, после чего компаратор 10 переключается в состояние логического 0 (см. фиг. 2 б, в), вызывая возобновление вышеописанного процесса, носящего периодический характер. В рассматриваемом случае (задающее напряжение U₀=0), время пребывания компаратора 10 во включенном τ₁ и выключенном τ₀ состоянии одинаково и сигнал на его выходе имеет форму меандра с периодом, равным удвоенному периоду (см. фиг. 2,в).

Постоянная временит τ =RC интегрирующей цепи 13 должна быть такой, чтобы обеспечить заряд и разряд конденсатора C₃ за время, равное одному периоду τ₀ задатчика частоты 9. Длительность периода τ₀ может изменяться (при настройке устройства) изменением коэффициента деления делителя частоты, входящего в состав задатчика частоты 11 (на чертеже не показан).

При подключении линии связи 5 и 6 с нагрузкой 7 к клеммам E,F, импульсный сигнал с выхода блока 3, пройдя через LC-цепи блока 4, сглаживается ими, в результате чего среднее значение напряжения в точках EF за период τ₁+τ₀ = 2τ₀ в этом случае (см. фиг. 2,г) равно нулю где τ₁ = τ₀, Если напряжение U₀ на выходе задатчика напряжения 11 положительно, т.е. U₀ =+U₀ (см. фиг. 3б), то время τ₁ (см. фиг. 3,в) пребывания компаратора 10 в состоянии логической 1 больше времени τ₀ его пребывания в состоянии логического 0 (τ₁ > τ₀), что также относится к выходным сигналам D-триггера 10 и ключевого блока 3 (см. фиг. 3в,г). Среднее значение напряжения U_EF, отдаваемого в нагрузку, в этом случае будет положительным (см. фиг. 3г)
где
И наконец, если напряжение U₀=-U₀ (см. фиг. 4,б), то время τ₁ (см. фиг. 4, в) пребывания компаратора 10, а также D-триггера и ключевого блока 3 (см. фиг. 4, в, г) в состоянии логического 0 больше времени τ₀ его пребывания в состоянии логической 1 (τ₁ > τ₀), что приводит к возникновению отрицательного значения U_EF, отдаваемого в нагрузку (см. фиг.4,г)
.

Таким образом, включение двухполярного ключевого блока 3, транзисторы T₁. . Т₄ которого работают в ключевом (импульсном) режиме, в цепь отрицательной обратной связи ШИМа 1 расширяет диапазон регулирования его выходного напряжения при обеспечении высокого КПД устройства.

Диапазон изменения выходного напряжения ограничен только незначительными падениями напряжений U_Т на открытых транзисторах двухполярного ключевого блока 3 и на активных сопротивлениях индуктивных элементов L₁, L₂ сглаживающего блока 4.

Сопротивление открытых полевых транзисторов составляет десятые доли Ом, а активное сопротивление индуктивных элементов L₁ и L₂ единицы Ом. В итоге границы диапазона импульсного регулирования выходного напряжения устройства при токах 0,5-1 А, необходимых для питания скважинной аппаратуры, оказываются меньше выходных напряжений блока питания 2 всего на 1-2 В. При этом потери энергии от теплового рассеяния на переходах транзисторов T₁...Т₄ ключевого блока 3 и активных сопротивлениях индуктивных элементов L₁ и L₂ сглаживающего блока 4 также незначительны 1-2 Вт, в отличие от непрерывного регулирования, где эти же потери достигают 10-20 Вт.

Кроме того, наличие цепи отрицательной обратной связи, включающей в себя D-триггер 8, ключевой блок 3, интегрирующую цепь 13, дифференциальный усилитель 10, обеспечивает нечувствительность устройства к изменениям напряжения на выходе блока питания 2, а единственный элемент, к которому предъявляются жесткие требования, - это компаратор, обладающий достаточно низким (0,1-1 мВ) порогом чувствительности, который и определяет качество регулирования выходного напряжения устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для автоматического регулирования напряжения питания каротажных приборов, содержащее широтно-импульсный модулятор и блок питания, отличающееся тем, что оно снабжено ключевым и сглаживающим блоками, выполненными двухполярными, при этом двухполярный вход ключевого блока подключен к разным полюсам блока питания, двухполярный управляющий вход ключевого блока соединен с двухполярным выходом широтно-импульсного модулятора, выполненного двухполярным, а двухполярный выход ключевого блока подключен к дифференциальному входу широтно-импульсного модулятора и двухполярному сглаживающему блоку.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что двухполярный широтно-импульсный модулятор выполнен на компараторе, задатчике напряжения, D-триггере, задатчике частоты, дифференциальном усилителе и двухполярной интегрирующей цепи, при этом один из входов компаратора подключен к задатчику напряжения, а другой соединен с выходом дифференциального усилителя, на вход которого включена двухполярная интегрирующая цепь, вход которой является дифференциальным входом широтно-импульсного модулятора, выход компаратора подключен к D-входу D-триггера, вход синхронизации которого соединен с задатчиком частоты, причем прямой и инверсный выходы D-триггера являются двухполярным выходом широтно-импульсного модулятора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двухполярный ключевой блок выполнен на двух комплементарных парах полевых транзисторов и двухполярном блоке управления затворами полевых транзисторов, причем стоки одинаковых по типу канала проводимости полевых транзисторов объединены между собой и образуют двухполярный вход ключевого блока, истоки каждой комплементарной пары полевых транзисторов соединены между собой и образуют двухполярный выход ключевого блока, затворы каждой комплементарной пары полевых транзисторов также объединены между собой и подключены к выходу двухполярного блока управления затворами полевых транзисторов, вход которого является двухполярным управляющим входом ключевого блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4