ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2269862

СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПОРТАТИВНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СРЕДСТВА

СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПОРТАТИВНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СРЕДСТВА

Имя изобретателя: Поводатор Аркадий Моисеевич 
Имя патентообладателя: Поводатор Аркадий Моисеевич
Адрес для переписки: 620042, г.Екатеринбург, ул. Орджоникидзе, 26, кв.39, А.М. Поводатору
Дата начала действия патента: 2004.06.24 

Изобретение относится к источникам электропитания электронных средств, функционирование которых осуществляется на принципах электроники и/или радиотехники и которые включают по крайней мере один активный элемент с тремя или более электродами, в частности транзистор, и осуществляют с использованием указанного активного элемента (элементов) усиление, преобразование или генерацию (формирование) рабочих электрических сигналов переменного или постоянного напряжения, в том числе широкополосных сигналов. Способ и устройство электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющие с использованием по крайней мере, одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного или постоянного напряжения, основанные на подаче напряжения питания на клеммы питания электронного средства, в качестве напряжения питания используют импульсное напряжение, скважность которого находится в пределах от 1,1 до 20. Во втором варианте способа и устройства импульсному напряжению придают следующие параметры: частота импульсов по крайней мере на порядок выше максимальной частоты спектра электрического сигнала переменного напряжения или по крайней мере на порядок ниже минимальной частоты спектра этого электрического сигнала, а длительность фронтов импульсов по крайней мере на порядок меньше величины, обратной максимальной частоте спектра электрического сигнала переменного напряжения. Технический результат - снижение энергопотребления.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Группа изобретений относится к источникам электропитания электронных средств (систем, блоков, узлов, устройств), функционирование которых осуществляется на принципах электроники и/или радиотехники [Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование, М.: Горячая линия - Телеком, 2001, стр.4-5], а именно к способам и устройствам для электропитания преимущественно портативных электронных и/или радиоэлектронных средств, включающих по крайней мере один активный элемент с тремя или более электродами, в частности транзистор, и осуществляющих с использованием указанного активного элемента (элементов) усиление, преобразование или генерацию (формирование) рабочих электрических сигналов переменного или постоянного напряжения, в том числе широкополосных сигналов.

Примерами такого рода электронных средств, систем или устройств являются, в частности, биотелеметрические приборы автономного использования с батарейным первичным электропитанием, осуществляющие передачу измеренных параметров, в том числе для подводного и космического применения, а также радиомаяки, передатчики охранных и сигнальных систем и др. Рабочим электрическим сигналом переменного или постоянного напряжения электронного средства является сигнал, обрабатываемый или формируемый указанным средством, например низко- или высокочастотный сигнал усилителя, генератора, передатчика, в том числе модулированный сигнал (по частоте, амплитуде и др.), сигнал усилителя постоянного тока.

Не относятся к предложенным изобретениям способы и источники электропитания двухэлектродных активных и пассивных элементов и устройств, например термо- и взрывоэмиссионных катодов, различных диодов, включая диоды, используемые в качестве источников излучений и датчиков физических величин, физических и химических аппаратов, в частности электрофильтров, газоразрядных счетчиков, электрохимических технологических устройств (электрофлотокоагуляторов, электролизеров, других химических реакторов).

Известен источник электропитания электронного средства [Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование, М.: Горячая линия - Телеком, 2001, стр.7-9, рис.1.1, в)], осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента (например, транзистора) усиление, преобразование или генерацию (формирование) электрического сигнала переменного или постоянного напряжения, включающий последовательно соединенные первичный источник электроэнергии переменного тока, выпрямитель, инверторный преобразователь выпрямленного постоянного напряжения в импульсное напряжение и второй выпрямитель, выход которого через фильтр соединен с выходными клеммами источника питания, на которые действует постоянное напряжение питания, подаваемое на нагрузку - электронное средство.

Известен также источник электропитания электронного средства [Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование, М.: Горячая линия - Телеком, 2001, стр.7-9, рис.1.1, д)], осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию (формирование) электрического сигнала переменного или постоянного напряжения, включающий последовательно соединенные первичный источник электроэнергии постоянного тока, инверторный преобразователь постоянного напряжения в импульсное и второй выпрямитель, выход которого через фильтр соединен с выходными клеммами источника питания, на которые действует постоянное напряжение питания, подаваемое на нагрузку в виде электронного средства.

Известно также, что для любого электронного средства, даже если оно состоит из одного транзистора, в качестве параметров электропитания указывается лишь перечень номиналов напряжений, мощность и, при необходимости, стабильность, то есть, в известных устройствах электропитания на нагрузку (электронное, радиоэлектронное устройство) всегда подается постоянное напряжение [Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование, М.: Горячая линия - Телеком, 2001, стр.4].

Из вышеупомянутого источника информации [Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование, М.: Горячая линия - Телеком, 2001, стр.7-9, рис.1.1, в), д), вытекает также известность способов:

- способ электропитания электронного средства, осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного напряжения, основанный на подаче на клеммы питания этого средства постоянного напряжения питания;

- способ электропитания электронного средства, осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или формирование электрического сигнала постоянного напряжения, основанный на подаче на клеммы питания этого средства постоянного напряжения питания.

Вышеуказанные известные способы и устройства электропитания являются прототипами предложенной ниже группе изобретений, состоящей из двух вариантов способа и двух вариантов устройства.

Недостатком вышеуказанных известных способов и устройств электропитания электронных средств является непрерывное во времени потребление каждым электронным (радиоэлектронным) устройством мощности от источника питания (естественно, во включенном состоянии), что вызывает повышенное потребление электроэнергии электронными средствами, а, в случае ограниченности ресурса (энергоемкости) первичного источника электроэнергии в виде аккумулятора или батареи, уменьшает время работы включенного электронного средства и требует более частого обслуживания для замены первичного источника электроэнергии.

В наибольшей степени указанный недостаток имеет значение для портативных (автономных) электронных, в том числе радиоэлектронных средств, например радиомаяков, биотелеметрических устройств автономного использования, в том числе подводного и космического применения, и т.д.

Задачей предложенной группы изобретений является уменьшение потребления электронным средством энергии от источника электропитания, повышение ресурса первичного источника электроэнергии, например аккумулятора или гальванической батареи, обеспечение более редкого обслуживания электронного средства для замены первичного источника электроэнергии.

Поставленная задача решается с помощью двух вариантов способа и двух вариантов устройства.

По первому варианту способ электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного напряжения, основанный на подаче напряжения питания на клеммы питания электронного средства, отличается тем, что в качестве напряжения питания используют импульсное напряжение.

Способ электропитания преимущественно портативного электронного средства по первому варианту отличается также тем, что используемому в качестве напряжения питания импульсному напряжению придают значение скважности импульсов, находящееся в пределах от 1,1 до 20.

Кроме того, способ электропитания преимущественно портативного электронного средства по первому варианту отличается тем, что используемому в качестве напряжения питания импульсному напряжению придают также следующие параметры: частота импульсов по крайней мере на порядок выше максимальной частоты спектра электрического сигнала переменного напряжения или по крайней мере на порядок ниже минимальной частоты спектра этого электрического сигнала, а длительность фронтов импульсов по крайней мере на порядок меньше величины, обратной максимальной частоте спектра электрического сигнала переменного напряжения.

По второму варианту способ электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента, усиление преобразование или формирование электрического сигнала постоянного напряжения, основанный на подаче напряжения питания на клеммы питания электронного средства, отличается тем, что в качестве напряжения питания используют импульсное напряжение.

Способ электропитания преимущественно портативного электронного средства по второму варианту отличается также тем, что используемому в качестве напряжения питания импульсному напряжению придают значение скважности импульсов, находящееся в пределах от 1,1 до 20.

Кроме того, способ электропитания преимущественно портативного электронного средства по второму варианту отличается тем, что используемому в качестве напряжения питания импульсному напряжению придают также следующие параметры: частота импульсов больше или равна 10 Гц, а длительность фронтов импульсов составляет соответственно не более чем 100 мс.

По первому варианту источник электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного напряжения, имеющий выходные клеммы и включающий преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное, отличается тем, что выход преобразователя постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное соединен непосредственно с выходными клеммами источника электропитания.

Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по первому варианту отличается также тем, что скважность импульсов, как один из выходных параметров преобразователя постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное, находится в пределах от 1,1 до 20.

Кроме того, источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по первому варианту отличается тем, что преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное имеет также следующие выходные параметры: частота импульсов по крайней мере на порядок выше максимальной частоты спектра электрического сигнала переменного напряжения или по крайней мере на порядок ниже минимальной частоты спектра этого электрического сигнала, а длительность фронтов импульсов по крайней мере на порядок меньше величины, обратной максимальной частоте спектра электрического сигнала переменного напряжения.

Наконец, источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по первому варианту отличается тем, что он выполнен с возможностью управления скважностью импульсов электропитания.

По второму варианту источник электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или формирование электрического сигнала постоянного напряжения, имеющий выходные клеммы и включающий преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное, отличается тем, что выход указанного преобразователя соединен непосредственно с выходными клеммами источника электропитания.

Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по второму варианту отличается также тем, что скважность импульсов, как один из выходных параметров преобразователя постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное, находится в пределах от 1,1 до 20.

Кроме того, источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по второму варианту отличается тем, что преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное имеет следующие выходные параметры: частота импульсов больше или равна 10 Гц, а длительность фронтов импульсов составляет соответственно не более чем 100 мс.

Наконец, источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по второму варианту отличается тем, что он выполнен с возможностью управления скважностью импульсов электропитания.

В существующем уровне техники не выявлены технические решения с указанными выше совокупностями существенных признаков, что позволяет считать предложенные варианты технических решений новыми.

Отличительным признаком независимых пунктов предложенных вариантов способа электропитания электронных средств вышеуказанного назначения, а именно электронных средств, осуществляющих с использованием по крайней мере одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или формирование (генерацию) электрического сигнала постоянного и переменного напряжения, является использование в качестве напряжения питания импульсного напряжения.

Отличительным признаком независимых пунктов предложенных вариантов устройства электропитания является то, что выход имеющегося в прототипе преобразователя постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное соединен непосредственно с выходными клеммами источника электропитания.

Эти основные отличительные признаки предложенных технических решений (вариантов способа и устройства) обеспечивают электропитание электронных средств импульсным (а не постоянным) напряжением, обеспечивают такой режим работы электронных средств, при котором потребление электроэнергии электронным средством от источника электропитания происходит лишь в течение части периода импульсного напряжения питания, а именно в течение импульса напряжения питания. Во время отсутствия импульса напряжения питания энергия от источника питания не потребляется. То есть, имеет место снижение энергопотребления от источника питания, экономия электроэнергии. При этом обеспечиваются увеличение срока непрерывной работы электронного средства от данного источника электропитания, имеющего ограниченный энергоресурс (батарея, аккумулятор), и увеличение периода технического обслуживания для замены источника первичного источника питания постоянного тока (батареи или аккумулятора). Снижение энергопотребления пропорционально скважности импульсного напряжения электропитания. При любом значении скважности, большем единицы, появляется практический выигрыш в экономии электрэнергии. С увеличением скважности выигрыш увеличивается. В частности, при скважности, равной 10 (десяти), выигрыш составляет около 10 раз. Максимальная величина скважности импульсов электропитания ограничивается требуемой точностью обработки электрического сигнала в электронном средстве. Кроме того, с ростом скважности импульсов увеличивается ширина спектра электрического сигнала электронного средства и, как следствие, уменьшается отношение сигнал/помеха, что требуется учитывать при разработке соответствующего электронного средства, питаемого переменным импульсным напряжением.

Импульсное напряжение питания при подаче его на клеммы источника электропитания, а значит на клеммы электропитания электронного средства, обеспечивает работу электронного средства при выполнении им необходимых преобразований рабочего электрического сигнала, что подтверждено практически (см. примеры реализации предложенных технических решений).

Введение в предложенные варианты способа и устройства электропитания вышеуказанного дополнительного отличительного признака (зависимые пункты формулы), заключающегося в том, что значение скважности импульсов электропитания находится в пределах от 1,1 до 20, обеспечивает оптимальное, в том числе максимальное значение выигрыша в экономии электроэнергии. При скважности, меньшей 1,1, практический выигрыш находится на достаточно низком уровне и с уменьшением значения скважности стремится к нулю. При скважности, большей 20, точность обработки электрического сигнала в электронном средстве становится меньше 5-10%.

Введение в предложенные варианты способа и устройства электропитания еще и других вышеуказанных дополнительных отличительных признаков, заключающихся в установлении вышеупомянутых соотношений между значениями частоты и длительности фронта импульсного напряжения питания и значениями частот спектра рабочего электрического сигнала электронного средства, обеспечивает отсутствие влияния импульсного напряжения питания на параметры электрического сигнала, который обрабатывается (формируется) электронным средством. Возникающее при этом разнесение (разделение по частоте) спектра импульсного питающего напряжения и спектра рабочего электрического сигнала обеспечивает, при необходимости, возможность последующей фильтрации ненужного спектра питающего напряжения. Например, при получении радиоприемником сигнала от портативного радиоэлектронного устройства, питаемого по предложенному способу, могут быть отфильтрованы от полезного сигнала частоты известного заранее спектра импульсного напряжения питания.

Использование указанного в предыдущем абзаце дополнительного отличительного признака, сущность которого заключается в разнесении спектра частот импульсного питания и спектра частот рабочего электрического сигнала электронного средства, не обязательно в тех случаях, когда к форме рабочего электрического сигнала электронного средства не предъявляется никаких требований и достаточно лишь наличия этого рабочего электрического сигнала. К таким случаям относится использование импульсного электропитания, например в радиомаяках, а также в биотелеметрических системах тревожной сигнализации об изменениях физиологических параметров пациента.

Выполнение источника электропитания с возможностью управления скважностью его импульсов, вследствие наличия квантования (дискретности) электрического сигнала электронного средства с импульсным электропитанием, позволяет использовать такое электронное средство в системах, имеющих дело с импульсными потоками рабочих сигналов (цифровых комплексах), например, в цифровых вычислительных устройствах. При этом управление скважностью импульсов в соответствии с алгоритмом результатами работы цифрового комплекса или потреблением им электроэнергии от источника электропитания обеспечивает автоматический оптимальный выбор параметров импульсного электропитания с точки зрения максимизации или поддержания на постоянном уровне экономии энергии электропитания и/или ресурса электропитания.

Технические решения, содержащие вышеуказанные совокупности отличительных признаков, а также совокупности ограничительных и отличительных признаков, не выявлены в известном уровне техники, что при достижении вышеописанного технического результата позволяет считать предложенные технические решения имеющими изобретательский уровень.

Группа изобретений поясняется чертежами:

блок-схема источника электропитания, соединенного с электронным средством

Фиг.1 - блок-схема источника электропитания, соединенного с электронным средством.

форма импульсного напряжения питания

Фиг.2 - форма импульсного напряжения питания.

схема управляемого импульсного электропитания

Фиг.3 - схема управляемого импульсного электропитания.

Источник электропитания 1 включает первичный источник питания 2, выполненный, например, в виде батареи или аккумулятора 3 и генератор 4 импульсов электропитания. Выход источника первичного питания 2 соединен со входом генератора 4 импульсов электропитания, выход которого является выходом источника электропитания 1. На выходе источника 1 электропитания имеются выходные клеммы 5, 6. На клемме 5 действует положительное значение импульсного напряжения питания (+Е п), клемма 6 соединена с корпусом 7 устройства ("землей") или на ней действует отрицательное значение импульсного напряжения питания (-Еп). Источник электропитания 1 может иметь управляющий вход 8 (клемма 9), на который при необходимости подается управляющее напряжение (Uупр) для изменения параметров импульсного напряжения электропитания, действующего на выходных клеммах 5, 6 источника 1 электропитания. Управляющий вход 8 источника 1 электропитания является также управляющим входом генератора 4 импульсов электропитания.

Первичный источник питания 2 служит для подачи постоянного напряжения питания на генератор 4 импульсов электропитания.

Электронное средство 10, запитываемое от источника 1 электропитания, имеет выход 11 рабочего электрического сигнала (Uвых). При необходимости электронное средство 9 имеет вход 12 рабочего электрического сигнала (Uвх ), например, если средство 10 является не генератором, а усилителем сигналов. Электронное средство 10 имеет клеммы 13, 14 для подачи на них напряжения электропитания. Клемма питания 13 электронного средства 10 соединена с клеммой 5 источника электропитания 1, а клемма 14 - соответственно с клеммой 6.

Форма однополярного импульсного напряжения электропитания 15 показана на фиг.2, где по оси абсцисс 16 отложено время t, а по оси ординат 17 - ЭДС Е. Напряжение электропитания имеет вид импульсов с амплитудой Еп. Каждый из импульсов имеет длительность имп с передним и задним фронтами фр. Импульсы следуют друг за другом с периодом Т. Частота f следования импульсов электропитания обратно пропорциональна периоду Т.

Приведенная на фиг.3 схема управляемого импульсного электропитания содержит источник электропитания 1 и электронное средство 10, соединенные друг с другом так же, как описано выше и показано на фиг.1. Кроме того, указанная схема содержит принципиальную схему источника электропитания 1, а внутри блока 10 электронного средства в виде усилителя или генератора напряжения показана часть эмиттерного каскада, выполненная в виде транзистора 18. Этот эмиттерный каскад выполняет в электронном средстве роль, в частности, усилителя рабочего электрического сигнала электронного средства. Между эмиттером транзистора 18 и корпусом 7 включены параллельно соединенные резистор 19 и конденсатор 20. Точка соединения эмиттера транзистора 18 с резистором 19 и конденсатором 20 соединена с выходом 21 электронного средства, соединенным, в свою очередь, со входом 22 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 23. Выход 24 АЦП 22 соединен со входом 25 электронного цифрового потенциометра (ЭП) 26, выход которого 27 соединен с клеммой 9 и соответственно со входом 8 источника 1 электропитания.

Источник электропитания 1 в схеме управляемого импульсного электропитания (фиг.3) в качестве первичного источника питания 2 содержит батарею 3, подающую постоянное напряжение питания на генератор импульсов электропитания 4. Принципиальная схема генератора 4 импульсов электропитания (фиг.3) представляет собой генератор стабильных импульсов напряжения, состоящий из типового автогенератора, выполненного на однопереходном транзисторе (двухбазовом диоде) 28 и транзисторе 29 в диодном включении, и компенсационного стабилизатора напряжения с микромощным потреблением (транзисторы 30-33) и опорным элементом на транзисторе 34 в диодном включении. Эмиттер 35 транзистора 29 типового автогенератора соединен с отрицательной шиной 36 источника 1 электропитания, соединенные друг с другом коллектор 36а и база 37 транзистора 29 через резистор 38 соединены с положительной шиной 39 источника 1 электропитания и через конденсатор 40 - с базой 41 транзистора 28, которая через резистор 42 соединена с положительной шиной 39. Коллектор 43 транзистора 28 через резистор 44 соединен с положительной шиной 39, а эмиттер 45 через резистор 46 соединен с отрицательной шиной 36 источника электропитания. Отрицательная шина 36 источника 1 электропитания соединена с выходной клеммой 6 источника 1. Эмиттер 45 транзистора 28 через последовательно соединенные конденсатор 46б и резисторы 47, 48 соединен также с положительной шиной 39 источника электропитания. При этом резистор 46 и конденсатор 46б являются времязадающей цепью типового автогенератора, определяющей скважность импульсов электропитания на выходе источника 1 электропитания. Точка соединения между собой резисторов 47, 48 является выходом 49 типового автогенератора, который соединен с базой 50 транзистора 30 компенсационного стабилизатора напряжения. Эмиттер 51 транзистора 30 соединен с положительной шиной 39 источника 1 электропитания и с коллектором проходного транзистора 33. Коллектор 53 транзистора 30 соединен с коллектором 54 и базой 55 транзистора 31, а также через резистор 56 соединен с эмиттером 57 транзистора 32. Эмиттер 58 транзистора 31 соединен с базой 59 транзистора 32, которая через резистор 60 соединена с отрицательной шиной 36 источника 1. Коллектор 61 транзистора 32 соединен с базой 62 проходного транзистора 33 и с эмиттером 63 транзистора 34. Коллектор 64 и база 65 транзистора 34 соединены с отрицательной шиной 36 источника 1 электропитания. Между эмиттером 66 транзистора 33 и базой 65 транзистора 34 включен резистор 67, а эмиттер 66 проходного транзистора 33 соединен также с выходной клеммой 5 источника 1 электропитания. Транзистор 31 в диодном включении и транзистор 32 - это буферный каскад компенсационного стабилизатора напряжения. Транзистор 33 - проходной транзистор этого стабилизатора, регулируемый сигналом, поступающим с коллектора 61 транзистора 32. Коэффициент стабилизации описанного компенсационного стабилизатора напряжения составляет порядка 1000. Резистор 67 - высокоомный нагрузочный резистор (1-2 МОм) источника 1 электропитания.

Точка соединения между собой эмиттера 45 транзистора 28, резистора 46 и конденсатора 46б является управляющим входом 8 источника 1 электропитания.

Транзистор 28 типа КТ117, транзисторы 30 и 32 - типа ГТ109. В качестве остальных транзисторов (29, 31, 33 и 34) использована матрица 217 или 198 серии. В качестве ЭП 26 использован восьмиразрядный электронный цифровой потенциометр типа AD8400, а в качестве АЦП 23 - AD7476.

Следует обратить внимание на то, что на выходе источника 1 электропитания отсутствует включенный параллельно выходу источника конденсатор, как это обязательно при обычном электропитании постоянным напряжением [см., например, описания к изобретениям: по патенту РФ №2150170 - конденсатор 4 и по патенту РФ №2105346 - ионистор 9].

Примером другой принципиальной схемы автогенератора на однопереходном транзисторе 28 является известная типовая схема [Двухбазовые диоды в автоматике, Библиотека по автоматике, вып.465, М.: Энергия, 1972, стр.31, рис.19а)].

Роль управляющего входа 8 источника электропитания 1 может выполнять, в частности, ручка переменного резистора, включенного в соответствующую цепь генератора 4 импульсов электропитания, задающую частоту этого генератора импульсов и соответственно частоту импульсов электропитания. В варианте исполнения источника электропитания, представленном на фиг.3, роль такого переменного резистора может выполнять резистор 46.

Первичный источник питания 2 может быть выполнен как в виде батареи или аккумулятора 3, так и в виде выпрямителя, на вход которого подается переменное напряжение от сети питания (на чертежах не показано).

В другом, не показанном на чертежах, исполнении схемы управляемого импульсного электропитания вместо электронного цифрового потенциометра 26 может быть использован цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

При необходимости импульсное напряжение электропитания 15 (фиг.2) может быть двухполярным, тогда оно имеет вид следующих друг за другом импульсов, симметричных относительно оси абсцисс 16, то есть имеющих одновременно положительное и отрицательное значения напряжения питания (форма такого импульсного напряжения питания на чертежах не показана).

Электронным средством 10 в первом примере реализации изобретения по фиг.1 является усилитель рабочего электрического сигнала частотой 100 кГц. Источник 1 электропитания в одном из режимов настроен на формировние импульсного напряжения питания со следующими параметрами: период Т импульсов 4 мс, длительность имп 0,5 мс, длительность фронтов импульсов фр меньше 1 мкс, скважность импульсов равна 8, частота f следования импульсов 250 Гц. Величина напряжения питания (амплитуда импульсов питания) Епит равна 6,5 В при напряжении батареи 9 В. Частота импульсов электропитания f (250 Гц), что в 400 раз (более чем на порядок) меньше частоты рабочего сигнала (100 кГц). Длительность фронта импульса (1 мкс) в 10 раз, то есть на порядок меньше величины, обратной частоте рабочего сигнала (1/100000 Гц = 10 мкс).

Такое устройство с источником электропитания, показанное на фиг.1, работает, а способ электропитания электронного средства 10 осуществляется следующим образом.

Питаемый от источника 2 первичного электропитания генератор 4 импульсов электропитания подает импульсное напряжение питания (фиг.2) с установленной скважностью импульсов на клеммы 13 электропитания электронного средства-усилителя сигналов 10, который обеспечивает усиление поступающего на вход 12 усилителя 10 рабочего сигнала и предачу его на выход 11 электронного средства. При этом выигрыш по потребляемой мощности по сравнению с питанием усилителя 10 постоянным напряжением пропорционален величине скважности импульсов электропитания (многократный выигрыш).

Во втором примере реализации изобретения в качестве электронного средства 10 использован блок датчиков устройства дистанционного контроля эффективности бега по а.с. СССР №1257678. Диапазон частот рабочего сигнала составляет от нуля до 100 Гц. Параметры импульсного электропитания аналогичны вышеуказанным для первого примера реализации изобретения, за исключением частоты импульсов, которая установлена равной 1100 Гц, что более чем на порядок больше максимальной частоты рабочего сигнала (100 Гц). В данном примере ток потребления батареи 3 без подключенной нагрузки (электронного средства 10) составляет 1,1 мА с включенной нагрузкой (электронное средство 10 блока датчиков устройства для определения эффективности бега по а.с. 1257678) - 1,6 мА. Потребление указанного электронного средства 10, выполненного по а.с. 1257678, при питании постоянным напряжением составляет 10 мА. Следовательно, за счет замены постоянного напряжения питания импульсным напряжением появляется более чем шестикратный выигрыш по току потребления.

В третьем примере реализации предложенного устройства в качестве электронного средства 10 выступает аналоговый усилитель рабочего электрического сигнала, имеющего вид постоянной составляющей, меняющейся с частотой менее одного Герца. При этом частота импульсов электропитания утановлена равной в одном случае 6 Гц, в другом случае 15 Гц при скважности импульсов в диапазоне от 1,1 до 20 и длительности фронтов импульсов 80 мс. В этом случае при скважности импульсов электропитания, равной 5, получен по сравнению с постоянным электропитанием выигрыш в потребляемой мощности в 3,5 раза, а при скважности импульсов, равной 15, - в 9 раз при обоих указанных частотах импульсов электропитания.

Появляющаяся в спектре рабочего электрического сигнала на выходе 11 электронного средства 10 спектральная составляющая импульсного электропитания, соответствующая параметрам импульсов электропитания (в частности, частоте импульсов 1100 Гц или 6 Гц), при необходимости может быть отфильтрована с помощью установленного на выходе 11 фильтра (на чертежах не показано). Обычно, например, в устройствах контроля биомедицинских параметров человека, как правило, имеются фильтры, выделяющие спектр рабочего электрического сигнала электронного средства (фильтр 5 на фиг.1 к описанию по а.с. СССР №1257678). При использовании импульсного электропитания для электронного средства 10 такого вида, в котором для потребителя рабочего сигнала электронного средства не имеют значения параметры спектра этого сигнала, а важно только наличие этого сигнала (например, радиомаяк, сигнализатор охранной сигнализации и др.), не требуется отфильтровывания составляющей сигнала, вносимой в него импульсным электропитанием. Для таких электронных средств может иметь место полное или частичное совпадение спектров рабочего электрического сигнала и импульсного электропитания.

Источник электропитания по фиг.3 в статическом режиме, то есть при заранее установленном значении скважности импульсов, работает аналогично указанному выше для электронного средства по фиг.1. Отличием является возможность изменения скважности импульсов электропитания в зависимости, в частности, от величины тока, потребляемого электронным средством 10. При увеличении этого тока увеличивается напряжение на резисторе 19 эмиттерного каскада, выполненного на транзисторе 18. Соответственно увеличивается напряжение на входе 22 АЦП 23, в результате чего изменяется в соответствующую сторону значение цифрового кода на выходе 24 АЦП 23 и на входе 25 электронного цифровой потенциометра 26. Соответственно растет величина выходного сопротивления электронного цифрового потенциометра 26, включенного параллельно резистору 46 во времязадающей цепи типового автогенератора, выполненного на транзисторе 28 типового автогенератора источника электропитания. При этом увеличивается постоянная времени времязадающей цепи типового автогенератора и соответственно увеличивается величина скважности импульсов электропитания, действующего на клеммах 13, 14 электронного средства 10. Таким образом, при увеличении амплитуды рабочего электрического сигнала электронного средства 10 увеличивается скважность импульсов электропитания, то есть поддерживается на постоянном уровне энергопотребление от источника электропитания.

При уменьшении тока, потребляемого электронным средством 10, происходит уменьшение напряжения на резисторе 19 и, далее, уменьшается напряжение на входе 22 АЦП 23, изменяется в соответствующую сторону значение цифрового кода на выходе 24 АЦП 23 и на входе 25 электронного цифрового потенциометра 26, уменьшаются величина выходного сопротивления электронного цифрового потенциометра 26, включенного параллельно резистору 46 типового автогенератора и постоянная времени времязадающей цепи типового автогенератора. В результате происходит уменьшение величины скважности импульсов электропитания электронного средства 10. То есть при уменьшении амплитуды рабочего электрического сигнала электронного средства 10 соответственно уменьшается скважность импульсов электропитания и также поддерживается на постоянном уровне энергопотребление от источника электропитания.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием, по крайней мере, одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного напряжения, основанный на подаче на клеммы питания электронного средства импульсного напряжения, отличающийся тем, что импульсному напряжению питания придают значение скважности импульсов, находящееся в пределах от 1,1 до 20.

2. Способ электропитания преимущественно портативного электронного средства по п.1, отличающийся тем, что импульсному напряжению питания придают следующие параметры: частота импульсов больше или равна 10 Гц, а длительность фронтов импульсов составляет, соответственно, не более чем 100 мс.

3. Способ электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием, по крайней мере, одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного напряжения, основанный на подаче на клеммы питания электронного средства импульсного напряжения, отличающийся тем, что импульсному напряжению питания придают следующие параметры: частота импульсов, по крайней мере, на порядок выше максимальной частоты спектра электрического сигнала переменного напряжения или, по крайней мере, на порядок ниже минимальной частоты спектра этого электрического сигнала, а длительность фронтов импульсов, по крайней мере, на порядок меньше величины, обратной максимальной частоте спектра электрического сигнала переменного напряжения.

4. Способ электропитания преимущественно портативного электронного средства по п.3, отличающийся тем, что импульсному напряжению питания придают следующие параметры: частота импульсов больше или равна 10 Гц, а длительность фронтов импульсов составляет, соответственно, не более чем 100 мс.

5. Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием, по крайней мере, одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного напряжения, включающий преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное, выход которого соединен непосредственно с выходными клеммами источника электропитания, отличающийся тем, что скважность импульсов как один из выходных параметров преобразователя постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное находится в пределах от 1,1 до 20.

6. Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по п.5, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью управления скважностью импульсов электропитания.

7. Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по п.5 или 6, отличающийся тем, что преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное имеет следующие выходные параметры: частота импульсов больше или равна 10 Гц, а длительность фронтов импульсов составляет, соответственно, не более чем 100 мс.

8. Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства, осуществляющего с использованием, по крайней мере, одного трехэлектродного активного элемента усиление, преобразование или генерацию электрического сигнала переменного напряжения, включающий преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное, выход которого соединен непосредственно с выходными клеммами источника электропитания, отличающийся тем, что преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное имеет следующие выходные параметры: частота импульсов, по крайней мере, на порядок выше максимальной частоты спектра электрического сигнала переменного напряжения или, по крайней мере, на порядок ниже минимальной частоты спектра этого электрического сигнала, а длительность фронтов импульсов, по крайней мере, на порядок меньше величины, обратной максимальной частоте спектра электрического сигнала переменного напряжения.

9. Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по п.8, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью управления скважностью импульсов электропитания.

10. Источник электропитания преимущественно портативного электронного средства по п.8 или 9, отличающийся тем, что преобразователь постоянного или переменного первичного напряжения в импульсное имеет следующие выходные параметры: частота импульсов больше или равна 10 Гц, а длительность фронтов импульсов составляет, соответственно, не более чем 100 мс.

Версия для печати
Дата публикации 17.02.2007гг


вверх