Управляемый стабилизированный источник постоянного тока

 

Союз Советсинк

Соцналнстнческнх

Республик

ОПИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ

< 9О752) В. И. Иванов и Н. А. Чистяков (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель (54) УПРАВЛЯЕМЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемым ис" точникам питания, и преимущественно предназначено для использования в качестве стабилизированного источника постоянного тока, быстро управляемо5

ro по определенной программе, например для питания электромагнитных систем управления СВЧ-устройствами на основе резонаторов из сфер монокрис10 талла феррита.

Известны источники постоянного тока со стабилизацией на основе преобразователей "ток-магнитное поле", включенных в цепь управляемого источ15 ника постоянного тока последовательно с нагрузкой, и датчиков магнитного поля, помещенных в магнитное поле укаэанных преобразователей и связанных с управляемым источником постоянного тока цепью обратной связи. В качестве преобразователя "токмагнитное поле" использована катушка индуктивности, а датчиком магнитного поля является чувствительный элемент квантового магнитного интерфероматра, помещенный в магнитное поле катушки индуктивности $1).

Недостатком такого источника постоянного тока является невозможность управлять током в нагрузке в широких пределах и большая постоянная времени цепи управления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее задающие ключи и аналоаго-цифровой преобразователь, выводы которых подключены ко входам синтезатора частоты (источника onop" ных частот). Выход синтезатора частоты подключен ко входу датчика магнитного поля на основе элемента с ядерным магнитным резонансом (ЯМР), помещенного в магнитное поле преобразователя "ток-магнитное поле".

Выход датчика соединен с входом регулируемого источника тока (основного) в выходную цепь которого пос1 ледовательно с нагрузкой включены катушка (основная ) преобразователя

"ток - магнитное поле" и эталонное сопротивление. Преобразователь "токмагнитное поле" выполнен в виде постоянного магнита с полюсами, на которых расположена катушка для изменения магнитного поля выходным током устройства, и установлен и тер- 6 мостат для уменьшения температурной нестабильности (2).

Недостатком известного устройства является низкая скорость перестройки по сигналу управления, что вызвано низкой скоростью переключения синтезатора частоты, малой скоростью изменения выходного тока, обусловленной инерционностью изменения магнитного поля в преобразователе "ток-магнитное поле" и длительным временем выхода на рабочий режим„ связанным с прогревом термостата. Цель изобретения - повышение скорости перестройки по сигналу управления.

Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее источник опорных частот, соединенный с датчиком магнитного поля, магнитно связанным с преобразователем

"ток - магнитное поле I и регулируе"

Р мый источник тока основной ), выход которого соединен через катушку (основную) преобразователя "ток-маг35 нитное поле с выходной клеммой, а вход соединен с выходом датчика магнитного поля и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП ), введены дополнительный регулируемый источник тока, соединенная с его выходом дополнительная катушка преобразователя "токмагнитное поле", включенная по магнитному полю встречно по отношению к основной катушке, выходы младших

45 разрядов цифро-аналогового преобразователя соединены со входом дополнительного регулируемого источника тока,а со вхоДом основного регулируемоto источника тока соединены выходы всех разрядов, и ричем и сто чник опт р50 ных частот выполнен в виде генера" тора гармоник.

При этом преобразователь "токмагнитное поле" выполнен в виде электромагнита с рабочим зазором в ярме магнитопровода, а датчик магнитного поля выполнен на основе резонатора из сферы монокристалла феррита, например железо-иттриевого граната (далее в тексте такой резонатор Gy- дет называться ) ;ИГ-pesoHaTop), который установлен в рабочий зазор электромагнита и ориентирован по кйазиизотропной оси. В состав датчика магнитного поля кроме ИИГ-резонатора входят амплитудный детектор, подключенный к выходу ЖИГ-резонатора, фазочувствительный усилитель, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а выход через фильтр нижних частот соединен со входом основного регулируемого источника тока, а также модуляционная катушка, установленная в рабочем зазоре электромагнита соосно с ЖИГ-резонатором, и модуляционный генератор, выход которого соединен с модуляционной катушкой и с опорным входом фазочувствительного усилителя причем, выход источника опорных частот соединен с датчиком магнитного поля, входным элементом которого является ХИГ-резонатор.

Благодаря управлению выходным током с помощью цифро-аналогового преобразователя при использовании неперестраиваемого источника опорных частот-генератора гармоник, исключается необходимость в переключении опорных частот, а следовательно повышается скорость изменения выходного тока устройства, т.е, уменьшается его постоянная времени. За счет того, что с изменением сигнала на выходе

ЦАП, величина выходного тока основного регулируемого источника тока (.величина выходного тока устройства)) изменяется одновременно с изменением тока дополнительного регулируемого источника тока, а дискреты перестройки датчика магнитного поля по обоим источникам установлены одинаковыми, причем магнитные поля катушек,(основной и дополнительной) преобразователя "ток-магнитное поле" направлены встречно, уменьшается инерционность, связанная с изменением магнитного поля в раоочем зазоре преобразователя "ток - магнитное поле", а следовательно увеличивается скорость изменения выходного тока по входному сигналу, т.е. уменьшается постоянная времени устройства. За ,счет выполнения преобразователя "токмагнитное поле" в виде электромаг" нита, а датчика магнитного поля на основе ИИГ-резонатора и ориентации тервала изменения тока, соответствующего двум соседним гармоникам источника 1 опорных частот, требуется семь младших двоичных разрядов. Аналоговый сигнал ЦАП 9, соответствующий этим разрядам, воздействует на оба регулируемых источника 4 и 7.

Преобразователь "ток-магнитное поле" 3 выполнен в виде электромагнит с рабочим зазором в ярме магнитопровода l0, а датчик 2 магнитного поля содержит ЖИГ-резонатор 11, к выходу которого подключен амплитудный детектор 12, фазочувствительный усилитель l3, вход которого подключен к выходу амплитудного детекто" ра 12, а выход через фильтр 14 нижних частот соединен с входом основного регулируемого источника 4 тока, а также модуляционную катушку 15, установленную в рабочем зазоре электромагнита 3 соосно с ЖИГ-резонатором 11, и модуляционный генератор

16, выход которого соединен с модуляционной катушкой 15 и с опорным входом фазочувствительного усилителя о

13, ЖИГ-резонатор, являющийся исходным элементом датчика 2 магнитного поля, связан с выходом генератора 1 гармоник, кроме того ЖИГ-резонатор 11 ориентирован в магнитном поле рабочего зазора магнитопровода 1Î по квазиизотропной оси, Для того, чтобы не ухудшилась стабильность выходного тока за счет нестабильности дополнительного регулируемого источника 7 тока, крутизна перестройки ЖИГ-резонатора 11 по дополнительной катушке 8 установлена во столько раз меньше крутизны перестройки по основной катушке 5, во сколько раз требуемая нестабильность выходного тока устройства меньше нестабильности дополнительного регулируемого источника 7 тока.

Коэффициенты передачи регулируемых источников тока установлены такими, что дискреты перестройки НИГ-резонатора по каждому из источников в отдельности одинаковы, а максимальному изменению кода младших разрядов ЦАП соответствует перестройка ЖИГ-резонатора по каждому из источников на величину частотного интервала между соседними гармониками генератора 1 опорных частот.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

5 907521

ЖИГ-резонатора в магнитном поле электромагнита по квазиизотропной оси, обеспечивается компенсация температурной нестабильности преобразователя "ток-магнитное поле" что поз- 5 воляет исключить, из устройства термостат, а это обеспечивает сокращение времени готовности устройств к работе с момента включения т.е. уменьшает постоянную времени устройства в режиме включения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Управляемый стабилизированный источник постоянного тока содержит источник 1 опорных частот, выход которого соединен с датчиком 2 магнитного поля, связанным с преобразователем 3 "ток-магнитное поле" и регулируемый источник 4 тока (основ- 20 ной), выход которого последовательно соединен с катушкой (основной) 5 преобразователя 3 "ток-магнитное поле" и с нагрузкой 6, а вход соединен с выходом датчика 2 магнитного поля.

Устройство также содержит дополнительный регулируемый источник 7 тока, соединенную с его выходом дополнительную катушку 8 преобразователя 3

"ток - магнитное поле", включенную зв встречно Во отношению к основной катушке 5 и -AA 9, аналоговый выход которого, соответствующий младшим разрядам цифрового входа, соединен со входом дополнительного регулируемого источника 7 тока, а аналоговый выход, соответствующий всем разрядам

ЦАП, соединен с входом основного регулируемого источника 4 тока. Источник 1 опорных частот 1 выполнен в виде генератора гармоник, например кварцевого генератора с высоким уровнем гармоник. При этом число старших разрядов ЦАП 9 определяется числом гармоник опорного генератоРа .1, ис- 45 пользуемых для стабилизации выходного тока. Так, например, при использовании только одной гармоники все разряды ЦАП относятся к младшим, а при использовании, например, двадцати гармоник ЦАП содержит пять двоичных разрядов, которые являются старшими и не влияют на ток дополнительного источника 7. Число младших разрядов устанавливается в зависимости от тре55 буемой разрешающей способности устройства по выходному току. Так при требовании разрешающей способности по выходному току не хуже 14 от ин907521

При нулевом коде на входе ЦАП 9 устанавливается нулевой, либо некоторый начальный ток с катушки 8, подключенной к дополнительному источнику 7 тока, а также начальный выход- 5 ной ток, действующий на выходе источника 4, в катушке 5 и нагрузке 6.

При этом ЧИГ-резонатор 11 настроен на первую гармонику (имеется в виду первая из рабочих гармоник, а не основная гармоника генератора) источника 1 опорных частот, а кольцо обратной связи поддерживает высокую точность и стабильность этой настройки, так как стабильность источника опорных частот на несколько порядков выше стабильности обычных источников тока.

Кольцо обратной связи работает следующим образом. Магнитное поле модуляционной катушки 15 накладываетя на магнитное поле преобразоваеля 3 "ток - магнитное поле" и обеспечивает качание частоты настройки

ЖИГ-резонатора ll с частотой модуляционного генератора 16, вследствие этого сигнал источника 1 опорных частот с частотой первой рабочей гар30, моники при прохождении через ЖИГ-резонатор 11 модулируется по амплитуде, причем амплитуда и фаза огибающей амплитудно-модулированного сигнала зависит от величины и знака расстройки по частоте между гармоникой

35 источника 1 опорных частот и ЖИГ-резонатором 11. Продетектированный детектором 12 сигнал поступает на фазочувствительный усилитель 13, где он усиливается и сравнивается по фазе с сигналом модуляционного генератора 16. В результате этого на выходе фазочувствительного усилителя

13 имеет место напряжение рассогласования, постоянная составляющая которого по величине и знаку соответствует частотной расстройке между ЖИГрезонатором 11 и гармоникой источника 11 опорных частот. Напряжение рассогласования с выхода фаэочувст50 вительного усилителя 13 через фильтр

14 нижних частот поступает на вход регулируемого источника 4 тока и вызывает изменение выходного тока так, что частотная расстройка уменьшается

55 до некоторой остаточной величины.

Таким образом, за счет поддержания точной настройки ЖИГ-.резонатора ll на выгокостабильную гармонику источника 1! опорных частот поддерживается высокая стабильность выходного тока устройства.

При увеличении значения кода на выходе ЦАП 9 происходит одновременное изменение выходного тока и тока дополнительного источника 7, но за счет того, что дискреты перестройки

ЖИГ-резонатора по каждому иэ источников 4 и 7 тока одинаковы, а катушки и 8 по магнитному полю .в рабочем зазоре электромагнита преобразователя 3 включены встречно, ЖИГрезонатор 11 остается настроенным на первую гармонику генератора 1, в то время как выходной ток быстро изменяется. При этом скорость изменения тока не ограничивается инерционностью преобразователя, как это имеет место в известном устройстве так как поле в зазоре остается постоянным. При установке входного кода на фиксированном значении кольцо обратной связи продолжает осуществлять точную привязку частоты ЖИГ-резонатора 11 к частоте первой гармоники источника 11 опорных частот, обеспечивая стабилизацию выходного тока.

Так происходит до тех пор>пока все младшие разряды, аналоговый выход которых соединен со входом дополнительного регулируемого источника не примут значение "!",(при двоичном коде управления). При дальнейшем увеличении входного кода еще на единицу младшего разряда все младшие разряды ЦЯП 9 обнуляются, и ток дополнительного источника 7 в катушке 8 возвращается к нулевой либо начальной величине. Поскольку максимальное изменение тока в катушке 8 (при максимальном изменении кода младших разрядов ) соответствует перестройке ИИГ-резонатора 11 между соседними гармониками источника 1 опорных частот, то выходной ток в катушке 5 соответствует настройке

ЖИГ-резонатора ll на вторую гармонику источника 1 опорных частот, а кольцо обратной связи обеспечивает удержание ЖИГ-резонатора 11 на второй гармонике источника 1 опорных частот. Аналогично происходит перестройка ЖИГ-резонатора ll на любую другую рабочую гармонику источника 1 опорных частот, Таким образом, при обеспечении высокой стабильности выходного тока

907521

10 устройство позволяет управлять током в нагрузке в широком интервале значений и с высокой скоростью, Постоянная времени устройства уменьшена за счет исключения перестройки источника опорных частот, уменьшения инерционности магнитного поля преобразователя "ток-магнитное поле", а также сокращения времени выхода на рабочий режим после включения, что обеспечивается компенсацией температурной нестабильности преобразователя "ток-магнитное поле". В известном устройстве время переходного процесса (постоянная времени устройства) зависит от суммы постоянных вре" мени двух процессов: переключения синтезатора частоты и перестройки датчика магнитного поля на новую частоту синтезатора. Время перестройки с одной частоты на другую в современных синтезаторах частоты составляет 40-50 мс, в то время как постоянная времени электромагнита для перестройки ЖИГ-резонатора имеет значение порядка 1 мс. В этом случае время переходного процесса при перестройке ЖИГ-резонатора составляет

3 мс, а следовательно постоянная времени устройства только за счет исключения перестройки синтезатора (источника опорных частот) уменьшена не менее чем в 15 раз.

При управлении током внутри полдиапазона - при изменении цифрового as кода только на входе младших разрядов ЦАП за счет встречного включения основной и дополнительной обмоток электромагнита изменение общего магнитного потока электромагнита обус- 40 ловлено лишь изменением магнитного потока рассеяния, величина которого зависит от конструкции и не превышает 2-3i от общего магнитного потока, а следовательно постоянная 4s времени в этом случае уменьшается еще в 30-50 раз °

Формула изобретения

1. Управляемый стабилизированный источник постоянного тока, содержащий источник опорных частот, выход которого соединен с датчиком магнитного поля, магнитно связанным с преобразователем "ток-магнитное поле" основной источник тока, выход которого через основную катушку преобразователя "ток-магнитное поле" соединен с выходной клеммой, а вход соединен с выходом датчика магнитного поля, и цифро-аналоговый преоб" разователь, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости перестройки по сигналу управления, в него введены дополнительный регулируемый источник тока, дополнительная катушка преобразователя

"ток-магнитное поле" а основной источник тока выполнен также регулируемым, причем дополнительная катушка, соединенная с выходом дополнительного регулируемого источника тока, включена по магнитному полю встречно по отношение к основной катушке вход дополнительного регулируемого источника тока соединен с аналоговым выходом, соответствующим младшим разрядам цифрового входа цифро-аналогового преобразователя, а вход основного регулируемого источника соединен с аналоговым выходом, соответствующим цифровым входам всех разрядов цифро-аналогового преобрао зователя, при этом источник опорных частот выполнен в виде генератора гармоник.

2. Источник по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что преобразователь "ток-магнитное поле" выполнено в виде электромагнита с рабочим эа" зором в ярме магнитопровода, а датчик магнитного поля выполнен на основе резонатора иэ сферы монокристалла железо-иттриевого граната, выходом соединенного через амплитудный детектор с одним из входов фазочувствительного усилителя, другой вход которого через модуляционный генератор соединен с модуляционной катушкой, установленной в рабочем зазоре электромагнита соосно с резонатором, причем выход фазочувствительного усилителя через фильтр нижних частот подключен к выходу датчика магнитного поля, входом которого лужит резонатор.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство CCCP !! 479097, кл G 05 F 1/46, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР !! 327461, кл. G 05 F 1/22, !970.

907521

Составитель С, Чернышева

Редактор В. Данко Техред g. Рейвес Корректор C. Цомак

Заказ 588/56 Тираж 908 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4