Dynamically compensated linear regulator of the pulse transmitter

【発明の詳細な説明】 パルス送信機の動的に補償されたリニア・レギュレータ 発明の背景 １． 発明の分野 本発明は送信機に関し、とくに大出力レベルで短時間に送信する無線周波（Ｒ Ｆ）パルス送信機に関する。 ２． 従来技術の説明 ＡＴＣＲＢＳ（航空交通管制レーダー・ビーコン・システム）等の航空交通管制システムは、約４００ワットのＲＦ出力レベルのデータバーストをおよそ１５ マイクロ秒で送信する機上送信機（トランスポンダ）を使用してレーダー・カバレージ・エリア内の航空機の位置をモニタする。 モード・セレクト（ＭｏｄｅＳ ｅｌｅｃｔ）（モードＳ）等の新しい航空交通管制システムは、交通衝突防止システム（ＴＣＡＳII）の併用によりＡＴＣＲＢＳシステムより多くのデータを利用するため、トランスポンダはより長いメッセージを従来と同じ出力レベルで送信しなければならない。 ハネウエル社はＸＳ−８５２と称する商用および地域航空業者用モードＳトランスポンダ装置を製造している。 このシステムはデータバーストをおよそ１２０マイクロ秒間送信する能力を必要とする。 ハネウエル社設計による初期エンジニアリング・モデルＸＳ−９５０等の新しいモードＳデータ・リンク・トランスポンダは、ダウンリンク拡張文メッセージ（Downlink Exten ded Length Messages、ＤＥＬＭ）を利用するため、さらに長いエネルギーバーストを必要とする。 そのようなシステムは２１５０マイクロ秒間以上の送信バーストを必要とするであろう。 送信中に航空機電源から瞬時に４００ワットは出せないため、通常、大型のキャパシタ・バンクを用いて送信機に電流を供給している。 送信中はリニア・レギュレータによって送信機への電圧が一定に保たれるのでキャパシタ電圧は低下しても良い。 送信中は、リニア・レギュレータは概ね約５０アンペアを送信機に供給し、キャパシタ電圧は送信時間および容量値により約６６ボルトの公称値からそれ以下の値に降下するが、送信機への入力供給が約４０ボルトを下回るほど降下することはない。 送信時間が長くなるほどにキャパシタ・バンクの電圧は一段と降下する。 電圧降下の速度は出た電流に比例し、容量に逆比例する。 送信後は、給電部によるキャパシタ・バンクの充電は放電時より一段と緩やかな速度で行われる。 リニア・レギュレータ出力は送信中６６ボルトから約４６ボルトまで変化する入力で所要の４０ボルトを維持し、１３００ワット（５０amp×２６ｖ） までピーク電力レベルを費消する。 新たに一層長い送信時間の要求が出てくると給電設計上の問題が生じる。 従来の選択によれば、１）キャパシタ容量を増加すればスペースと重量が過大となる問題が生じる、２）キャパシタ電圧を増せばリニア・レギュレータに対する熱放散要求が大となる問題が生じた。 これらの問題は低温における運用の場合はさらに厳しくなる（装置は−５５℃と＋７０℃間で動作しなければならない）。 低温では、キャパシタの容量は最低で等価直列抵抗は最高であり、したがって設計者は低温（−５５℃）で性能を維持するにはキャパシタの電圧を増さねばならず、 そのために高温（＋７０℃）における熱放散の問題が一段と厳しくなる。 発明の簡単な説明 本発明は、高温ではキャパシタ・バンクの電圧を下げて熱放散条件を低減し、 低温では電圧を上げて所要の性能を与えることができるように、温度および他の変数にしたがってマイクロプロセッサによってキャパシタ・バンクの電圧を動的に調節することが可能となる。 これは好適な実施態様においては、Ａ／Ｄ変換器、マイクロプロセッサおよびＤ／Ａ変換器を介して動作する温度センサにより、 未調節電源によって供給される電圧を温度にしたがって増減することによって達成される。 本発明はキャパシタ・バンクの最小電圧をモニタし、電圧が所要の最小値を超えたときには常に電圧を下げ、および印加電圧を航空機の所要の装備能力（ＤＥＬＭデータ・リンク送信能力等）にしたがって調節するように航空機の特定の装置をモニタする。 図面の簡単な説明 第１図は航空交通管制トランスポンダ・システムのブロック線図である。 第２図はキャパシタ・バンクの電圧の経時変化を示すグラフである。 第３図は本発明のブロック線図である。 第４図は本発明の電力供給の一部の模式図である。 好適な実施形態の詳細な説明 本発明を機上の航空交通管制トランスポンダ・システムならびにそれに付随する電圧および構成要素を例として説明する。 いうまでもなく、本発明の原理は短時間で大出力バーストを使用する送信システムであればどんなものにも適用可能である。 第１図に示す前述のＸＳ−９５０のような航空交通管制システム１０は、急速給電ボックス１４に接続された矢印により示す航空機からの電源１２（通常ＡＣ１１５ボルトもしくはＤＣ２８ボルト）を備えている。 急速給電ボックスは航空機からの電力ＡＣ１１５ボルトまたはＤＣ２８ボルトを変換して約６６ボルトに調整されたＤＣ電源をライン１６に供給する。 キャパシタ・バンク１８はライン１６間に接続されかつ接地された三つのキャパシタＣ ₁ 、Ｃ ₂およびＣ ₃により構成される。 キャパシタ・バンク１８は急速給電部１４による６６ボルトの電圧が蓄えられるまで充電される。 ライン１６の電圧はリニア・レギュレータ２ ０に与えられ、リニア・レギュレータの動作によって送信機２４への出力ライン２２に約４０ボルトの調整電圧が生じる。 送信機はライン２８によりアンテナ２ ６に接続されている。 動作時には、送信機はＲＦエネルギーの短時間バーストを生成し、航空機の位置に関する通信とある限られた量の関連データの送信を行う。 その送信時間中に、キャパシタ・バンク１８は第２図に示すように急速に放電して電圧を下げ、送信後は放電時よりゆっくりと６６ボルトまで再充電される。 第２図はキャパシタ・バンク１８の電圧の経時変化をグラフ線２５により示す。 これから分かるように、時間ライン２９のパルス２７が示す送信機が「オン」のときは、電圧が約６ ６ボルトから約４６ボルトに降下し、バーストが終わると電圧は緩やかに６６ボルトレベルまで戻る。 実際には、ＤＥＬＭ応答の悪い場合には、パルス２７は約２１ ５０マイクロ秒であり、再充電時間は約１００ミリ秒である。 ＤＥＬＭ応答の無い場合のパルス２７は約１５〜１２０マイクロ秒であり、キャパシタ電圧は第２ 図に示すレベルよりさらに降下する。 送信時間のさらなる増加（情報送信とＤＥＬＭ送信の増大のため）の要求が出るに至り、設計者はキャパシタ・バンクの容量を増すかキャパシタ・バンクの電圧を増すか、あるいは両方とも増すことを強いられ、大きな難問に直面している。 容量を増そうとすれば、重量とスペースを抑えるのが至難であるのに、追加のアルミニウム電解コンデンサがプリント基板上で大きなスペース（一般的に各基板の３平方インチ）を占めかつ重量も増すという問題が生じる。 電圧を増して最小許容電圧（ここでの送信機の動作条件は４０ボルト）に達するまでのキャパシタ・バンクの放電時間を増そうとすれば、リニア・レギュレータの熱放散が増すという問題が生じる。 システムが−５５℃および＋７０℃の間で動作しなければならないことを承知していれば、最悪の場合（−５５℃でキャパシタ性能は最低）でも良好な性能を得るには、設計者は熱放散（＋７０℃で最悪）を犠牲にしなければならない。 本発明は、第３図から分かるように、電力供給の出力を温度および他の変数にしたがって調節することによって従来技術の問題を軽減する。 第３図では、機能が第１図と同じ要素には同じ参照番号を付してある。 ライン１２の航空機電源はＡＣ１１５ボルトもしくはＤＣ２８ボルトを改良された急速給電部１４Ａに入力する。 急速給電部１４Ａはライン１６に出力電圧を供給するが、その電圧は条件により約ＤＣ５５ボルトから第１図で用いられた約ＤＣ６６ボルトまで変化する。 キャパシタ・バンク１８はライン１６に接続されかつ接地されているので、電圧（５５〜６６ボルト）はキャパシタＣ ₁ 、Ｃ ₂およびＣ ₃に蓄えられてリニア・ レギュレータ２０に供給される。 リニア・レギュレータ２０は定電圧ＤＣ４０ボルトをライン２２で送信機２４に供給し、送信機はライン２８によりアンテナ２ ６に接続されている。 第１図と同様に、送信機２４は送信の短いバーストを大出力レベルで生成するが、最近のＤＥＬＭ条件では、バーストは２１５０マイクロ秒以上が要求されることもある。 送信バースト中、キャパシタ・バンク１８は第２図と同様の状態でさらに低い値まで放電し、次いで送信後は、所要の電圧まで急速給電部１４Ａによって充電する。 リニア・レギュレータ２０における熱放散の問題を克服するため、キャパシタ・バンク１８への電圧は温度、送信に必要な実際の最小電圧および具体的な航空機計装にしたがって調整される。 さらに具体的には、高温では、キャパシタ・バンク１８の電圧を下げて熱放散を減少することができる。 設計の一例においては、６６ボルトの給電を６１ボルトに下げても性能は悪くならなかった。 その結果、リニア・レギュレータの電力が２０％節減され、急速給電はさらに節減された。 ＤＥＬＭ応答発生後のキャパシタ・バンクの電圧を動的に検出することにより、一層の電力節減が達成されよう。 ＤＥＬＭ応答後のキャパシタ・バンクの電圧がリニア・レギュレータへの入力に必要な最小電圧＋４６ボルトを超えた場合は、電圧は応答後の最小電圧と＋４６Ｖとの差分をさらに減ずることができる。 Ｄ ＥＬＭ応答能力を必要としない航空機の場合は、キャパシタ電圧は約＋５５ボルトの低い固定電圧に設定することができ、一層の電力節減となる。 第３図において、内部温度モニタ５０はキャパシタ・バンク１８の内部温度を検出するように動作する。 温度センサ５０の出力はライン５２によってＡ／Ｄ変換器５４に与えられ、モニタ５０で検出した温度の大きさによって変化するディジタル信号がラインまたはバス５６に生成される。 同じく第３図の電圧供給モニタ６０はキャパシタ・バンク１８の電圧をモニタして送信後の電圧すなわち第２ 図のグラフ線２５の底の電圧を表す出力を生成する。 この電圧が必要以上に高い場合には、キャパシタ・バンク１８に与えられた電圧を下げてさらにエネルギーを節減できる。 キャパシタンス電圧信号はライン６２によりＡ／Ｄ変換器５４に与えられ、ラインバス５６のその出力にはキャパシタ・バンク電圧によって変化する成分も含まれる。 マイクロプロセッサ６４は温度とキャパシタ・バンク電圧を表すディジタル出力をＡ／Ｄ変換器５４から受け、かつライン６８によりプログラム・ピン・インタフェース（program pin interface）センサ７０からも入力を受ける。 プログラム・ピン・インタフェース・センサは送信機を搭載した航空機を識別し、ＤＥＬＭ送信のためのより高い要求事項が必要か否かをマイクロプロセッサに示す。 温度、キャパシタ・バンク電圧およびＤＥＬＭ送信のための要求事項を知ったマイクロプロセッサは、給電部１４Ａで生成しなければならない最適電圧を（ルック・アップ・テーブルもしくは線形方程式等により）決定し、その電圧を表す信号をライン７２によりＤ／Ａ変換器７４に与える。 Ｄ／Ａ変換器は所望の電圧を表すアナログ信号を生成し、接続ライン７８によりその信号を急速給電部１４Ａに与える。 急速給電部１４Ａは第４図の出力電圧調整回路を含む。 第４図に示す抵抗器８ ０の第一の端は第３図の出力ライン１６に入力端子８１で接続する。 抵抗器８０ の第二の端はジャンクション８２に接続されている。 一対の直列接続抵抗器８４ および８６とこれに並列接続した抵抗器８８とがジャンクション８２と接地との間に接続されている。 ジャンクション・ポイント８２の電圧は急速給電スイッチング制御器回路（図示せず）に矢印９０の示す接続により与えられる。 急速給電スイッチング制御器回路は入力端子８１に与えられるキャパシタ・バンク電圧を増減する役をし、それによって接続部９０の電圧が定電圧に維持される。 以上に説明したように、抵抗器８０、８４、８６および８８の大きさはポイント９０の電圧が約６６Ｖのときにジャンクション・ポイント８２の電圧がおよそ３ボルトになるように選択される。 本発明にしたがって端子８１の電圧を変化させるための急速給電回路への変更を第４図に示す。 キャパシタ・バンク１８への所望の電圧を表す第３図のライン７８の信号は端子１００に与えられる。 この信号は抵抗器１０２を介してジャンクション・ポイント１０４に供給される。 ジャンクション・ポイント１０４はキャパシタ１０６を介して接地されかつ抵抗器１０８を介して直列接続抵抗器８４ および８６間のジャンクション・ポイント１１０に接続されている。 端子１００ の信号により、追加の電圧が上述の急速給電回路に導入され、その結果、ジャンクション８２の信号が変化するため、急速給電スイッチング制御器回路によって、ジャンクション８２の電圧をおよそ３ボルトに保つのに適切となるようにキャパシタ・バンク電圧が増減する。 ポイント８１の電圧は端子１００の電圧が最小時の＋６６Ｖから端子１００の電圧が最大時のおよそ＋５５Ｖまて変化する。 以上のごとく、リニア・レギュレータへの出力電力を温度、ＤＥＬＭ送信のための所望最小電圧および具体的計装による航空機条件にしたがって調整することにより最小電力で最適の性能を発揮させることができるシステムが提供されることが分かる。 当分野の技術に習熟した者には数多くの変形および変更が可能であろう。 たとえば、急速給電部の出力はリニア・レギュレータへの最適の電圧を生成し得る様々な一般的方法に代えることができる。 したがって、以下の請求の範囲を別として、好適な実施形態の説明に関して説明した特定の構成に限定することは出願人として望まない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ