Блок моделирования перегрузки в цепях электропитания
Владельцы патента RU 2274885:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" (RU)
Использование: при испытаниях комплекса приборов РЭА в отношении стойкости их к воздействию помех. Технический результат заключается в увеличении надежности испытуемой РЭА. Блок моделирования перегрузки в цепях электропитания содержит два управляемых элемента, включенных последовательно и образующих двухполюсный силовой выход, два диода, первые выводы которых соединены и образуют управляющий вход, а вторые выводы соединены с управляющими входами управляемых элементов, два пороговых стабилитронно-резисторных устройства, выходы которых соединены с управляющими входами управляемых элементов, стабилитроны пороговых стабилитронно-резисторных устройств соединены с одним полюсом силового выхода, резистор первого порогового стабилитронно-резисторного устройства соединен со вторым полюсом силового выхода, а резистор второго порогового стабилитронно-резисторного устройства соединен с общей точкой включенных последовательно управляемых элементов. 4 ил.
Блок моделирования перегрузки в цепях электропитания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) относится к областям электротехники и электроники и может быть использован при испытаниях приборов РЭА в отношении стойкости и устойчивости их к воздействию помех, в частности, опасных импульсных токов и напряжений перегрузки в цепях питания.
Известны устройства, в которых помехи создаются при работе подключенного в цепь питания РЭА (выходу источника питания) замыкающего регулирующего органа или контакта [1]. Подобного типа устройство может быть использовано и для имитации перегрузки или короткого замыкания в цепи питания РЭА.
Импульсные помехи возникают, во-первых, за счет скачкообразного изменения тока и магнитного потока в момент возникновения перегрузки или короткого замыкания и, во-вторых, за счет ЭДС самоиндукции индуктивностей шин питания в момент выключения токов перегрузки или короткого замыкания. При воздействии таких помех РЭА может не только ошибочно исполнить (или не исполнить) ту или иную команду, что само по себе недопустимо, но и выйти из строя. Для имитации таких помех при испытаниях РЭА на устойчивость и стойкость к воздействию помех требуется мощная предельно простая и надежная база, непременно обеспечивающая в то же время защиту проверяемой РЭА, если собственная защита РЭА не справляется с уровнем моделируемой помехи. В противном случае выбросы напряжения питания при или после окончания воздействия способны моментально вывести из строя испытуемую РЭА, содержащую полупроводниковые приборы и микросхемы.
Однако упомянутое устройство не резервировано, не обладает регулирующими и защитными свойствами, поэтому ненадежно и, будучи использовано в качестве имитатора перегрузки, может выйти из строя само и вывести из строя испытуемую РЭА или ее источник питания. В связи с этим оно не может быть рекомендовано для использования в качестве имитатора помех в цепях питания.
Увеличение надежности таких устройств возможно путем их резервирования и обеспечения регулирующими и защитными свойствами. Однако в доступных автору и заявителю источниках информации не обнаружено устройство, способное моделировать перегрузки и помехи по цепям питания, возникающие от этих перегрузок, и близкое по техническому исполнению и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству. В связи с этим далее данное предложение рассматривается без признаков, характеризующих известную (ограничительную) часть.
Задача предложения - увеличение надежности испытуемой РЭА за счет обеспечения проверки ее работоспособности в части срабатывания блоков включения и защиты РЭА от перегрузок по току и напряжению, определения уровня помехоустойчивости путем обеспечения заданного режима моделирования перегрузок и обеспечение защиты РЭА в случае отказа защитных средств самой РЭА.
Эта задача решается тем, что блок моделирования перегрузки в цепях электропитания содержит два управляемых элемента, включенных последовательно и образующих двухполюсный силовой выход, два диода, первые выводы которых соединены и образуют управляющий вход, а вторые выводы диодов соединены с управляющими входами управляемых элементов, два пороговых стабилитронно-резисторных устройства, стабилитроны которых соединены с одним полюсом силового выхода, резистор первого порогового стабилитронно-резисторного устройства соединен со вторым полюсом силового выхода, а резистор второго порогового стабилитронно-резисторного устройства соединен с общей точкой включенных последовательно управляемых элементов, выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств соединены с управляющими входами управляемых элементов.
Кроме того, блок моделирования перегрузки в цепях электропитания снабжен двумя дополнительными резисторами, подключенными параллельно первому и второму управляемым элементам.
На фиг.1 представлена основная схема блока моделирования перегрузки в цепях электропитания проверяемой аппаратуры. На фиг.2 представлена схема блока моделирования перегрузки в цепях электропитания проверяемой аппаратуры, снабженная дополнительными резисторами.
По функциям, принципу действия и методам применения обе схемы эквивалентны. Определенные особенности их режимов работы описаны ниже.
На фиг.3 и 4 приведены примеры использования (подключения) предлагаемого устройства при испытаниях РЭА в части срабатывания ее блоков защиты от перегрузок по току и напряжению соответственно. При этом предлагаемые устройства по схеме фиг.1 и 2 подключается идентично.
На фиг.1 и на других чертежах применены следующие обозначения:
VT1 и VT2 - управляемые элементы, обеспечивающие перегрузку по току;
VD1, VD2 - стабилитроны, обеспечивающие совместно с VT1 и VT2 заданное напряжение ограничения импульсных помех по цепям питания (на уровне максимально допустимого напряжения питания UпитМАКС для испытуемых приборов РЭА);
R1 и R2 - резисторы, на которых выделяется управляющее напряжение, если уровень помех по напряжению больше допустимого, при этом стабилитроны VD1 и VD2 совместно с резисторами R1 и R2 образуют пороговые стабилитронно-резисторные устройства VD - R1 и VD2 - R2, а их выходы соединены с управляющими входами управляемых элементов VT1 и VT2;
VD3, VD4 - диоды, одни электроды (на чертежах - аноды) которых образуют управляющий вход устройства для моделирования помех в цепях электропитания, а вторые (катоды) - подключены к управляющим входам управляемых элементов VT1 и VT2;
R3 и R4 - дополнительные резисторы, подключенные на фиг.2 параллельно управляемым элементам VT1 и VT2;
U0, U1, U2 - цепи на схемах предлагаемого устройства и соответствующие напряжения на них (см. ниже). Цепь U0 принята за общую шину.
Параллельное соединение одинаковых цепей управления VD1 - R1, VD2 - R2 и VD3, VD4 и последовательное соединение управляемых элементов VT1 и VT2 в блоке позволяет повысить его надежность и избежать неожиданных коротких замыканий. Если использовать всего один управляемый элемент, то возможна ситуация, когда он выходит из строя при или после имитации перегрузки и, в свою очередь, выводит из строя еще не проверенную РЭА или источник питания.
На фиг.3 и 4 и по тексту использованы следующие обозначения:
1 - источник питания G РЭА, имеющий максимальное значение напряжения, равное UпитМАКС,
2 - сопротивление нагрузки или нормально работающий прибор проверяемой РЭА (или система взаимосвязанных приборов, снабженных при необходимости внутренней системой защиты), условно обозначенный RN,
3 - блок включения и защиты прибора 2 RN и источника питания 1 G от перегрузки по току, включенный последовательно с коммутируемым и защищаемым прибором 2,
4 - блок защиты шин питания и приборов РЭА от перегрузки по напряжению, обеспечивающий штатную защиту от перенапряжения (в составе РЭА) на уровне Uз4, несколько превышающем максимально возможное нормальное напряжение питания UпитМАКС,
5 - предлагаемый блок моделирования перегрузки в цепях электропитания, одновременно защищающий приборы РЭА от перегрузок по напряжению на уровне Uз5 в том случае, если проверяемый блок 4 защиты не сработает на уровне Uз4 в процессе испытаний РЭА. Всегда должно соблюдаться соотношение Uз5>Uз4>UпитМАКС. При этом следует иметь в виду, что напряжение защиты Uз5, обеспечиваемое блоком 5 на фиг.3 и фиг.4, не должно превышать значения, при котором проверяемая РЭА может снизить свою надежность.
L11 и L12 - индуктивности в цепях питания (показаны условно) - это эквивалентные индуктивности проводов, соединяющих источник питания G и тестируемую РЭА. В обоснованных случаях это могут быть реальные дроссели фильтров.
Подключение измерительных приборов для контроля токов и напряжений на чертежах не показано, поскольку это не влияет на предложение по существу. Для этого могут быть применены любые известные устройства и методы измерений. Изменение амплитуды импульса тока перегрузки может осуществляться изменением амплитуды входного импульса.
Выполнен блок моделирования перегрузки в цепях электропитания (фиг.1) следующим образом.
Блок имеет управляющий вход, образованный диодами VD3 и VD4 и силовой выход (выводы U0 и U2). К выводу U2 (шина питания) подключены стабилитроны VD1 и VD2 пороговых стабилитронно-резисторных устройств VD1 - R1 и VD2 - R2. Резистор R1 первого порогового стабилитронно-резисторного устройства VD1 - R1 соединен с шиной UO, а резистор R2 второго порогового стабилитронно-резисторного устройства VD2 - R2 подключен к общей точке U1 соединенных последовательно управляемых элементов VT1 и VT2. Два соединенных последовательно управляемых элемента VT1 и VT2 (предпочтительно - полевые транзисторы, для высоковольтных цепей - транзисторы типа IGBT; могут быть использованы и биполярные транзисторы, для которых необходимо принять меры по ограничению базовых токов; для контроля «одноразовых» систем могут быть использованы тиристоры) подключены между выводами U0 и U2 силового выхода. Выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств (общие точки стабилитронов и резисторов каждого такого устройства) соединены с управляющими входами управляемых элементов. Общая точка U1 двух последовательно соединенных управляемых элементов образует технологическую цепь, которая используется при проверке работоспособности последовательно включенных управляемых элементов VT1 и VT2 на этапе изготовления и настройки блока. Управляющий вход блока через диоды VD3 и VD4 также соединен с управляющими входами управляемых элементов VT1 и VT2. На фиг.2 эти элементы зашунтированы резисторами R3 и R4.
Сам блок (фиг.1) работает следующим образом.
Пока напряжение на силовом выходе блока (выводы U2, U0) не превышает напряжения стабилизации стабилитронов VD1 и VD2, стабилитроны закрыты, напряжение на управляющих входах управляемых элементов (на резисторах R1 и R2) равны нулю. В этом случае оба последовательно включенных управляемых элемента VT1 и VT2 закрыты, и ток через них отсутствует (по крайней мере, общий ток не превышает суммы токов утечки стабилитронов и управляемых элементов). В таком режиме блок находится в дежурном режиме и начинает работать, когда напряжение на его силовом выходе U2 превысит порог срабатывания, а именно - при возникновении на его силовом выходе (равно, как и на шинах проверяемой РЭА на фиг.2 и 3) импульсной помехи.
При возникновении импульсной помехи, при которой сумма напряжения питания и импульса помехи превышает заданный уровень, стабилитрон VD1 начинает пропускать ток, на резисторе R1 выделяется напряжение, которое прикладывается к управляющему входу управляемого элемента VT1, он открывается, и напряжение в точке U1 уменьшается до нуля, стабилитрон VD2 также начинает пропускать ток, на резисторе R2 выделяется напряжение, которое прикладывается к управляющему входу управляемого элемента VT2. В этот момент оба управляемых элемента VT1 и VT2 открываются и образуют шунт между выводами U0 и U2. При этом, чем выше выброс импульса помехи, тем больше управляющие напряжения и тем сильнее открываются управляемые элементы. Амплитуда тока при этом ограничивается только внутренним динамическим сопротивлением источника помехи (для этого управляемые элементы VT1 и VT2 должны обладать необходимыми параметрами по напряжению и выходному току). По окончании импульса помехи стабилитроны закрываются, напряжение с управляющих входов управляемых элементов снимается, они также закрываются, и блок вновь переходит в дежурный режим.
Если на управляющий вход блока (на аноды диодов VD3 и VD4) подать импульс положительной полярности, то, независимо от уровня напряжения на силовом выходе U2 относительно общей шины U0 блока, управляемые элементы VT1 и VT2 открываются и начинают пропускать ток. Значение тока определяется амплитудой входного управляющего импульса и параметрами элементов VT1 и VT2. Ток в импульсе может достигать десятков-сотен ампер. Максимальное значение тока в пределе будет ограничиваться только омическим сопротивлением цепей питания и сопротивлением открытых управляемых элементов. Такой режим эквивалентен короткому замыканию цепи, к которой подключен предлагаемый блок.
После окончания входного управляющего импульса управляемые элементы закрываются, и ток через них прекращается. Если блок подключен к цепям питания, содержащим индуктивности, то немедленно возникает импульс ЭДС самоиндукции и выброс напряжения на силовом выходе U2 блока. В этот момент блок начинает ограничивать выброс напряжения, как было описано выше.
Таким образом, предложенное устройство, работая в двух режимах, может имитировать перегрузки в системе электропитания РЭА и защищать ее от последствий таких перегрузок, если проверяемая РЭА своими средствами (блок 4 на фиг.4) не способна парировать перенапряжения.
В РЭА блоки защиты 3 и 4 штатно работают следующим образом. Прибор 2 (фиг.3) включен с помощью блока 3 включения и защиты (в простейшем случае блок 3 - это тумблер и предохранитель или автомат защиты сети). В случае перегрузки или короткого замыкания в цепи прибора 2 возникает неуправляемый ток перегрузки Iz, протекающий от источника питания 1 по цепи «+U» - 3 - 2 - «-U». При этом должен сработать блок 3 включения и защиты и отключить прибор 2 от шин питания.
При наличии в цепях питания индуктивностей (фиг.4) срабатывание блока 3 включения и защиты при перегрузке по току вызывает импульс перенапряжения за счет ЭДС самоиндукции линий питания. Блок 4 защиты РЭА от импульсов перенапряжения по шинам питания ограничивает эти импульсы на уровне Uз4, незначительно превышающем максимально возможное напряжение питания аппаратуры UпитМАКС.
Так в РЭА все блоки защиты 3 и 4 работают штатно. При испытаниях аппаратуры параметры защиты этих блоков должны быть проверены, а при первом включении и настроены.
Применение предложенного блока моделирования перегрузки в цепях электропитания для проверки стойкости РЭА к воздействию импульсных перегрузок и работы ее блоков защиты 3 и 4 можно проиллюстрировать следующим образом.
Для проверки защитных свойств блока 3 включения и защиты блок 5 моделирования перегрузки в цепях электропитания подключается к проверяемой РЭА, как показано на фиг.3 - последовательно с блоком включения и защиты 3.
Для проверки защитных свойств блока 4 защиты РЭА от импульсных перенапряжений предложенный блок 5 моделирования перегрузки в цепях электропитания к проверяемой аппаратуре подключается, как показано на фиг.4 - параллельно шинам питания U2 и U0.
При проверке работоспособности и параметров защиты блока 3 (фиг.3) на управляющий вход блока 5 подается входной импульс, управляемые элементы VT1 и VT2 открываются и по цепи "+U" - блок 3 - VT2 - VT1 - "-U" протекает импульс тока Iz (показан стрелками с пунктирной линией), имитирующий перегрузку. При увеличении тока перегрузки Iz сверх допустимого блок 3 должен сработать и отключить защищаемый прибор 2.
Работоспособность и параметры блока включения и защиты 3 может быть проверена и без прибора 2.
При проверке работоспособности и параметров защиты блока 4 (фиг.4) на управляющий вход блока 5 подается входной импульс, управляемые элементы VT1 и VT2 открываются и по цепи "+U" - L11 - VT2 - L12 - "-U" протекает импульс тока Iz, имитирующий перегрузку (показано стрелкой со сплошной линией). По окончании этого импульса, за счет ЭДС самоиндукции цепей питания возникает перенапряжение, парируемое устройством защиты 4. В этом случае ток Iz начинает протекать по цепи "+U" - L11 - блок 4 - L12 - "-U", показанной стрелкой с пунктирной линией, и напряжение на шинах питания начинает ограничиваться. Если это напряжение соответствует заданному напряжению защиты на уровне Uз4, то блок защиты 4 работает нормально. Если это напряжение равно Uз5, значит, блок защиты 4 либо неисправен, либо требует настройки, а импульсы перенапряжения парирует блок 5 на уровне Uз5.
Работоспособность и параметры блока защиты 4 могут быть проверены и без блоков 2 и 3.
Предлагаемая совокупность признаков в предложенной автором системе питания не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные стабилитроны, а в качестве управляемых элементов - мощные полевые транзисторы для низковольтных цепей либо транзисторы типа IGBT - для высоковольтных систем электропитания. Могут быть применены и другие управляемые элементы.
Литература
1. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С.Найвельта, М., 1985 г., с.470, предпоследняя схема в табл.12.2.
Блок моделирования перегрузки в цепях электропитания содержит два управляемых элемента, включенных последовательно и образующих двухполюсный силовой выход, два диода, первые выводы которых соединены и образуют управляющий вход, а вторые выводы диодов соединены с управляющими входами управляемых элементов, два пороговых стабилитронно-резисторных устройства, стабилитроны которых соединены с одним полюсом силового выхода, резистор первого порогового стабилитронно-резисторного устройства соединен со вторым полюсом силового выхода, а резистор второго порогового стабилитронно-резисторного устройства соединен с общей точкой включенных последовательно управляемых элементов, выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств соединены с управляющими входами управляемых элементов.
