RU131541U1

RU131541U1 - COMPACT WIDTH-PULSE MODULATOR

Info

Publication number: RU131541U1
Application number: RU2013110103/08U
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Фокин; Иван Геннадьевич Пронькин; Владимир Александрович Светлаков
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-08-20

Abstract

1. Компактный широтно-импульсный модулятор, отличающийся тем, что содержит генератор пилообразных импульсов, компаратор, второй вход которого является третьим входом устройства, выходной драйвер, блок питания, первый и второй входы которого являются соответствующими входами устройства, а низковольтный выход которого соединен со входами питания генератора пилообразных импульсов и компаратора и высоковольтный выход которого соединен со входом питания выходного драйвера, выход генератора пилообразных импульсов соединен с первым входом компаратора, а выход компаратора соединен со входом выходного драйвера, выход которого является выходом устройства.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор пилообразных импульсов состоит из триггера, блока смещения, генератора постоянного тока, блока установки частоты, причем вход питания генератора пилообразных импульсов подключен к триггеру и к генератору постоянного тока, выход триггера соединен со входом блока смещения, выход блока смещения соединен со входом генератора постоянного тока, выход генератора постоянного тока соединен со входом блока установки частоты, а выход блока установки частоты соединен со входом триггера и является выходом генератора пилообразных импульсов.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит блок смещения, представляющий собой последовательно включенные разделительный конденсатор, токоограничительный резистор и встречно включенные диоды, причем изменение сопротивления токоограничительного резистора приводит к изменению угла наклона выходного импульса генератора пилообразных сигналов.4. Устройство по п.2, отличаю1. A compact pulse-width modulator, characterized in that it contains a sawtooth pulse generator, a comparator, the second input of which is the third input of the device, an output driver, a power supply, the first and second inputs of which are the corresponding inputs of the device, and the low-voltage output of which is connected to the inputs power supply of the sawtooth generator and the comparator and the high-voltage output of which is connected to the power input of the output driver, the output of the sawtooth pulse generator is connected to the first input comparator, and the output of the comparator is connected to the input of the output driver, the output of which is the output of the device. 2. The device according to claim 1, characterized in that the sawtooth pulse generator consists of a trigger, an offset unit, a direct current generator, a frequency setting unit, the power input of a sawtooth pulse generator being connected to a trigger and a DC generator, the trigger output connected to the input of the offset unit , the output of the bias unit is connected to the input of the DC generator, the output of the DC generator is connected to the input of the frequency setting unit, and the output of the frequency setting unit is connected to the input of the trigger and is Exit impulsov.3 sawtooth generator. The device according to claim 2, characterized in that it contains a bias unit, which is a series-connected isolation capacitor, a current-limiting resistor, and counter-diodes, and a change in the resistance of the current-limiting resistor leads to a change in the angle of the output pulse of the sawtooth signal generator. The device according to claim 2, distinguish

Description

Полезная модель относится к автоматике и импульсной технике и может применяться при создании источников вторичного электропитания (ИВЭП) аппаратуры систем управления объектами ракетно-космической и авиационной техники, а также робототехническими комплексами, предназначенными для ликвидации последствий аварий на объектах атомной промышленности, тушения пожаров на нефтяных и газодобывающих промыслах. К таким ИВЭП предъявляются повышенные требования по надежности работы и сохранения точности параметров в неблагоприятных внешних условиях. К этим условиям относятся механические воздействия (линейные перегрузки, удары и широкополосная вибрация), широкий диапазон изменения температуры окружающей среды (от -60 до +125 град. по Цельсию), а также действие ионизирующего излучения космического пространства, атомных энергетических установок и загрязненной местности. Важным требованием являются и минимальные объемно-массовые характеристики (ОМХ).The utility model relates to automation and pulsed technology and can be used to create secondary power sources (IWEP) of equipment for control systems of rocket-space and aviation equipment, as well as robotic systems designed to eliminate the consequences of accidents at nuclear facilities, to extinguish fires in oil and gas producing fields. These IVEP are subject to increased requirements for reliable operation and maintaining the accuracy of parameters in adverse environmental conditions. These conditions include mechanical influences (linear overloads, shock and broadband vibration), a wide range of changes in ambient temperature (from -60 to +125 degrees Celsius), as well as the effects of ionizing radiation from outer space, nuclear power plants and contaminated areas. An important requirement is the minimum volumetric mass characteristics (OMX).

При проектировании современных ИВЭП, как правило, используют принцип широтно-импульсной модуляции, позволяющий производить оптимальную фильтрацию выходного напряжения. Модуляцию осуществляет микросхема управления (далее ШИМ или ШИМ-контроллер): в зависимости от сигнала с обратной связи скважность сигнала уменьшается или увеличивается, вследствие чего транзистор-прерыватель источника питания передает в нагрузку больше или меньше энергии.When designing modern IVEP, as a rule, they use the principle of pulse-width modulation, which allows optimal filtering of the output voltage. Modulation is carried out by a control chip (hereinafter PWM or PWM controller): depending on the feedback signal, the signal duty cycle decreases or increases, as a result of which the transistor-chopper of the power source transfers more or less energy to the load.

Известна полезная модель «Широтно-импульсный модулятор с обратной связью» (патент RU №76525, Н03К3/033), состоящая из фотодиода обратной связи, конденсатора, группы резисторов, двунаправленного ключа, логического элемента 2ИЛИ и диода. Недостатком данного ШИМ является то, что хоть при его разработке и задействовано мало электронных компонентов, для обеспечения работоспособности ИВЭП необходимо дополнение полезной модели генератором тактовых импульсов (ведет к увеличению ОМХ). Кроме того, при больших входных напряжениях ИВЭП необходимо дополнение данного ШИМ блоком питания во избежание выхода из строя полупроводниковых компонентов. Для организации обратной связи используется фотодиод, применение которого в условиях ионизационного излучения невозможно.The known utility model "Pulse-Width Modulator with Feedback" (patent RU No. 76525, Н03К3 / 033), consisting of a feedback photodiode, capacitor, a group of resistors, a bi-directional switch, 2 OR gate and a diode. The disadvantage of this PWM is that although during its development few electronic components are involved, to ensure the operability of the IWEP, it is necessary to supplement the utility model with a clock generator (leads to an increase in OMX). In addition, at high input voltages of the IVEP, it is necessary to supplement this PWM with a power supply in order to avoid failure of semiconductor components. To organize feedback, a photodiode is used, the use of which is impossible under conditions of ionization radiation.

Известна также полезная модель «Широтно-импульсный модулятор» (патент RU №25231, G05F 1/56), у которой для организации обратной связи можно использовать датчик тока, включая его последовательно с транзисторным ключом-прерывателем ИВЭП. Недостатком данного типа обратной связи (обратная связь по току) является то, что на выходе ИВЭП будет наблюдаться значительные отклонения номинала выходного напряжения от среднего значения. Кроме того, датчик тока включен между ограничительным и вторым резистором, что усложняет реализацию «классического» варианта обратной связи по току в ИВЭП, построенных по типу однотактных преобразователей (установка датчика тока между «землей» и силовым ключом). Применение данного изобретения в неблагоприятных условиях также осложняется наличием подстроечного резистора (регулирующий элемент).The utility model “Pulse Width Modulator” (patent RU No. 25231, G05F 1/56) is also known, in which a current sensor can be used to organize feedback, including it in series with an IVEP transistor switch-interrupter. The disadvantage of this type of feedback (current feedback) is that there will be significant deviations in the output voltage rating from the average value at the output of the IHEP. In addition, a current sensor is connected between the limiting and the second resistor, which complicates the implementation of the "classic" version of the current feedback in the IESP, built on the type of single-phase converters (installing a current sensor between the "ground" and the power switch). The use of this invention in adverse conditions is also complicated by the presence of a tuning resistor (control element).

Наиболее полно поставленную задачу решает микросхема UCC2897, которая может быть взята за прототип. В микросхему заложены все необходимые функции для реализации ИВЭП, но при выполнении данного ШИМ на отечественной элементной базе, пригодной для функционирования устройства в целом в жестких полях ионизационного излучения, получаются ОМХ, большие, чем в рассмотренных выше вариантах. Для решения поставленных задач предлагается компактный широтно-импульсный модулятор.The most fully set task is solved by the UCC2897 chip, which can be taken as a prototype. The chip contains all the necessary functions for the implementation of IVEP, but when performing this PWM on a domestic element base suitable for the operation of the device as a whole in hard fields of ionization radiation, OMX is obtained larger than in the options considered above. To solve the tasks, a compact pulse-width modulator is proposed.

Описание существа полезной модели.Description of the creature of the utility model.

Компактный широтно-импульсный модулятор состоит из (см. фиг.1) блока питания 1, генератора пилообразных импульсов 2, компаратора 3 и выходного драйвера 4. Первый (высокое входное напряжение) и второй (низкое входное напряжение) входы блока питания 1 являются соответствующими входами устройства. Низковольтный выход блока питания 1 соединен со входами питания генератора пилообразных импульсов 2 и компаратора 3. Высоковольтный выход блока питания 1 соединен со входом питания выходного драйвера 4. Выход генератора пилообразных импульсов 2 соединен с первым входом компаратора 3. Второй вход компаратора 3 является третьим входом устройства (на него подается сигнал ошибки, формируемый обратной связью источника питания). Выход компаратора 3 соединен со входом выходного драйвера 4. Выход выходного драйвера 4 является выходом устройства.The compact pulse-width modulator consists of (see Fig. 1) a power supply 1, a sawtooth pulse generator 2, a comparator 3, and an output driver 4. The first (high input voltage) and second (low input voltage) inputs of the power supply 1 are corresponding inputs devices. The low-voltage output of the power supply 1 is connected to the power inputs of the sawtooth generator 2 and the comparator 3. The high-voltage output of the power supply 1 is connected to the power input of the output driver 4. The output of the sawtooth pulses 2 is connected to the first input of the comparator 3. The second input of the comparator 3 is the third input of the device (an error signal generated by the feedback of the power source is fed to it). The output of the comparator 3 is connected to the input of the output driver 4. The output of the output driver 4 is the output of the device.

Генератор пилообразных импульсов в свою очередь состоит из (см. фиг.2) триггера 5, блока смещения 6, генератора постоянного тока 7, блока установки частоты 8. Вход питания генератора пилообразных импульсов подключен к триггеру 5 и к генератору постоянного тока 7. Выход триггера 5 соединен со входом блока смещения 6. Выход блока смещения 6 соединен со входом генератора постоянного тока 7. Выход генератора постоянного тока 7 соединен со входом блока установки частоты 8. Выход блока установки частоты соединен со входом триггера 5 и является выходом генератора пилообразных импульсов.The ramp generator in turn consists of (see FIG. 2) a trigger 5, an offset unit 6, a DC generator 7, a frequency setting unit 8. The power input of the ramp generator is connected to the trigger 5 and to the DC generator 7. The trigger output 5 is connected to the input of the bias unit 6. The output of the bias unit 6 is connected to the input of the DC generator 7. The output of the DC generator 7 is connected to the input of the frequency setting unit 8. The output of the frequency setting unit is connected to the input of trigger 5 and is the output of neratora sawtooth pulses.

Блок питания (см. фиг.3) состоит из блока переключения 9, блока управления 10, блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12, блока высоковольтного питания 13. Первый и второй входы блока переключения 9 являются соответствующими входами блока питания. Выход блока переключения 9 подключен ко входам блока управления 10, блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12, блока высоковольтного питания 13. К управляющему входу блока переключения 9 подключен выход блока управления 10. Первый вход блока управления 10 подключен ко второму входу блока переключения и, соответственно, является вторым входом блока питания, второй вход блока управления подключен к выходу источника опорного напряжения 12. Выход блока опорного напряжения подключен ко входам блока низковольтного питания 11 и блока высоковольтного питания 13. Выходы блока низковольтного питания 11 и блока высоковольтного питания 13 являются соответствующими выходами блока питания.The power supply (see Fig. 3) consists of a switching unit 9, a control unit 10, a low-voltage power supply 11, a reference voltage source 12, a high-voltage power supply 13. The first and second inputs of the switching unit 9 are the corresponding inputs of the power supply. The output of the switching unit 9 is connected to the inputs of the control unit 10, the low-voltage power supply unit 11, the reference voltage source 12, the high-voltage power supply unit 13. The output of the control unit 10 is connected to the control input of the switching unit 10. The first input of the control unit 10 is connected to the second input of the switching unit and , respectively, is the second input of the power supply, the second input of the control unit is connected to the output of the reference voltage source 12. The output of the reference voltage block is connected to the inputs of the low-voltage power supply 11 and high-voltage power supply unit 13. The outputs of the low-voltage power supply unit 11 and the high-voltage power supply unit 13 are the corresponding outputs of the power supply unit.

Блок смещения (см. фиг.4) представляет собой последовательно включенные разделительный конденсатор, токоограничительный резистор и встречно включенные диоды.The bias unit (see Fig. 4) is a series-connected isolation capacitor, a current-limiting resistor, and counter-connected diodes.

Блок установки частоты построен следующим образом (см. фиг.5): выход генератора постоянного тока соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с частотозадающим конденсатором и одновременно является выходом блока установки частоты, а второй вывод конденсатора подключен к шине «земля».The frequency setting unit is constructed as follows (see FIG. 5): the output of the DC generator is connected to the first output of the resistor, the second output of which is connected to the frequency-setting capacitor and at the same time is the output of the frequency setting unit, and the second output of the capacitor is connected to the ground bus.

Компактный широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.Compact pulse-width modulator operates as follows.

В момент появления питания на первом входе устройства на выходе блока переключения 9 формируется напряжение питания блока управления 10, блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12, блока высоковольтного питания 13. После формирования опорного напряжения блоком опорного напряжения 11 (стабилитрон или стабилизатор напряжения типа 142ЕН) на выходе блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12 (могут быть выполнены на ОУ или компараторе, например 1481 СА2Т, стойком к воздействию ионизационного излучения по схемотехнике микросхемы LM431) формируется стабильное напряжение питания. Одновременно с этим блок управления 10 сравнивает напряжение на втором входе устройства с опорным напряжением и, в случае превышения входным напряжением заданного значения, переключает питание устройства на выход 2 (данным режим обеспечивает больший КПД ИВЭП).At the time of the appearance of power at the first input of the device, the output of the switching unit 9 generates the supply voltage of the control unit 10, the low-voltage power supply unit 11, the reference voltage source 12, the high-voltage power supply unit 13. After the reference voltage is generated by the reference voltage unit 11 (zener diode or voltage stabilizer type 142EN ) at the output of the low-voltage power supply unit 11, the reference voltage source 12 (can be performed on an op-amp or comparator, for example, 1481 CA2T, resistant to ionization radiation with chemotechnology microcircuit LM431) a stable voltage is formed. At the same time, the control unit 10 compares the voltage at the second input of the device with the reference voltage and, in case the input voltage exceeds the set value, switches the device power to output 2 (this mode provides a higher efficiency of the power supply and power supply system).

При появлении напряжения питания в генераторе пилообразных импульсов 2 триггер 5 напряжение логической единицы на выходе, при этом на выходе блока смещения 6 формируется отрицательный уровень. В результате генератор постоянного тока 7 (может быть выполнены на ОУ или компараторе, например 1481 СА2Т, стойком к воздействию ионизационного излучения) начинает заряжать частотозадающую емкость блока установки частоты 8. После достижения на частотозадающей емкости установленного уровня триггер 5 переключается. На его выходе формируется уровень логического нуля, на выходе блока смещения формируется положительный уровень, а генератор постоянного тока переключается в режим разряда частотозадающей емкости блока установки частоты 8. При достижении установленного уровня напряжения на частотозадающей емкости триггер 5 переключается в исходное состояние и цикл повторяется. При изменении сопротивления токоограничительного резистора блока смещения 6 изменяется входное напряжение генератора постоянного тока, а следовательно и угол наклона выходного пилообразного импульса. При изменении емкости частотозадающего конденсатора блока установки частоты 8 изменяется частота работы устройства.When the voltage appears in the sawtooth generator 2, trigger 5 is the logic unit voltage at the output, while a negative level is formed at the output of the bias unit 6. As a result, the DC generator 7 (can be performed on an op-amp or comparator, for example 1481 CA2T, resistant to ionization radiation) starts charging the frequency-setting capacitance of the frequency setting unit 8. After reaching the set level on the frequency-setting capacitance, trigger 5 switches. At its output, a logical zero level is formed, at the output of the bias unit, a positive level is formed, and the DC generator switches to the discharge mode of the frequency-setting capacitance of the frequency setting unit 8. When the voltage level at the frequency-setting capacitance is reached, trigger 5 switches to its initial state and the cycle repeats. When changing the resistance of the current-limiting resistor of the bias unit 6, the input voltage of the DC generator changes, and therefore the angle of inclination of the output sawtooth pulse. When the capacitance of the frequency-setting capacitor of the frequency setting unit 8 changes, the frequency of operation of the device changes.

При достижении сигналом генератора пилообразного напряжения 2 уровня третьего входного сигнала (сигнал с обратной связи ИВЭП) на выходе компаратора 3 (например, 1481 СА2Т) устанавливается уровень логической единицы. Далее, при снижении сигнала генератора пилообразного напряжения 2 уровня третьего входного сигнала (сигнал с обратной связи ИВЭП) на выходе компаратора 3 устанавливается уровень логической нуля (логика работы компаратора может быть инверсной в зависимости от структуры обратной связи ИВЭП).When the signal of the generator of the sawtooth voltage reaches the 2nd level of the third input signal (feedback signal from the IWEP) at the output of the comparator 3 (for example, 1481 CA2T), the logical unit level is set. Further, when the signal of the sawtooth voltage generator of the 2nd level of the third input signal (signal from the IWEP feedback) decreases, the logic zero level is set at the output of the comparator 3 (the logic of the comparator may be inverse depending on the IWEP feedback structure).

Выходной драйвер 4 усиливает выходной сигнал компаратора 3 по мощности, позволяя управлять силовым ключом источника питания. Необходимо отметить, что при выполнении устройства на базовом матричном кристалле (например, К1451БК1У), можно добиться не только значительного уменьшения габаритов, но и повышения уровня стойкости к внешним воздействующим факторам.The output driver 4 amplifies the output signal of the comparator 3 in power, allowing you to control the power switch of the power source. It should be noted that when performing the device on a base matrix crystal (for example, K1451BK1U), it is possible to achieve not only a significant reduction in size, but also an increase in the level of resistance to external factors.

Таким образом, в предлагаемом широтно-импульсном модуляторе устранены отмеченные недостатки известных решений, а именно, обеспечена долговременная стабильность параметров точности преобразователя при работе в широком диапазоне изменения температур и в полях ионизирующего излучения, а также обеспечены меньшие ОМХ по сравнению с ранее существующими устройствами. Данные факты позволяют применять предлагаемый ШИМ в ИВЭП систем управления авиационными и ракетно-космическими объектами, а также робототехническими комплексами.Thus, in the proposed pulse-width modulator, the noted disadvantages of the known solutions are eliminated, namely, long-term stability of the accuracy parameters of the converter is ensured during operation in a wide range of temperature changes and in the fields of ionizing radiation, as well as lower OMX compared to previously existing devices. These facts make it possible to apply the proposed PWM in the IWEP of control systems for aviation and space-rocket objects, as well as robotic complexes.

Claims

1. A compact pulse-width modulator, characterized in that it contains a sawtooth pulse generator, a comparator, the second input of which is the third input of the device, an output driver, a power supply, the first and second inputs of which are the corresponding inputs of the device, and the low-voltage output of which is connected to the inputs power supply of the sawtooth generator and the comparator and the high-voltage output of which is connected to the power input of the output driver, the output of the sawtooth pulse generator is connected to the first input comparator, and the output of the comparator is connected to the input of the output driver, the output of which is the output of the device.

2. The device according to claim 1, characterized in that the sawtooth pulse generator consists of a trigger, an offset unit, a direct current generator, a frequency setting unit, and the power input of the sawtooth pulse generator is connected to the trigger and to a DC generator, the trigger output is connected to the input the bias unit, the output of the bias unit is connected to the input of the DC generator, the output of the DC generator is connected to the input of the frequency setting unit, and the output of the frequency setting unit is connected to the input of the trigger and is sawtooth generator output pulses.

3. The device according to claim 2, characterized in that it contains a bias unit, which is a series-connected isolation capacitor, a current-limiting resistor and on-off diodes, moreover, a change in the resistance of the current-limiting resistor leads to a change in the angle of the output pulse of the sawtooth signal generator.

4. The device according to claim 2, characterized in that it contains a frequency setting unit, consisting of a resistor, the first output of which is connected to the output of the DC generator, and the second output is the output of the frequency setting unit, and a frequency setting capacitor, the first output of which is connected to the second the output of the resistor, which is the output of the frequency setting unit, and the second output is connected to the ground bus, and a change in the capacitance of the frequency-setting capacitor leads to a change in the operating frequency and frequency of the output pulses of the compact spot-width modulator.