УСТРОЙСТВО МОСТОВОЙ КОММУТАЦИИ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК H02M7/757 

1. Область техники.

Устройство мостовой коммутации постоянных напряжений используется в системах управления искусственными спутниками Земли (ИСЗ) для возбуждения различных бортовых нагрузок с двумя выводами, на которые с двух выходов устройства подаются постоянные напряжения прямой или обратной полярности или не подаются никакие напряжения, когда возбуждение нагрузки не требуется. Устройство мостовой коммутации постоянных напряжений выдает также сигналы телеметрии о реальном состоянии напряжений на двух выходах устройства и нахождении их в допустимых пределах.

2. Уровень техники.

Для подачи постоянных напряжений на нагрузку используются контакты электромагнитных реле или дискретные мощные транзисторы, управляемые от отдельного логического блока. Сигналы телеметрии о напряжениях на выходах устройства формируются замыканием сухих контактов электромагнитных реле, подключенных к выходам устройства.

Применяемые устройства имеют большие массу и габариты, не обладают высокой надежностью и радиационной стойкостью для длительной работы в космосе и не обеспечивают точного и стабильного формирования сигналов телеметрии.

3. Сущность изобретения.

3.1. Назначение устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

Устройство мостовой коммутации постоянных напряжений используется в системах управления ИСЗ для подачи на бортовую нагрузку с двумя выводами постоянного напряжения прямой или обратной полярности в соответствии с поступающими на входы устройства управляющими сигналами. Величина выходного напряжения на каждом выводе устройства примерно равна или положительному напряжению питания устройства "+Uпит", или нулевому напряжению "земли". Напряжение на выходы устройства может и не подаваться, если возбуждение нагрузки не требуется, и это задается входными сигналами. К каждому выходу устройства подсоединяются по два микроэлектронных реле, сухие контакты которых формируют сигналы телеметрии, замыкая один из двух сухих контактов, когда выходное напряжение соответствует в допустимых пределах уровню напряжения питания устройства "+Uпит" или уровню напряжения "земли".

Устройство мостовой коммутации постоянных напряжений при малых массе и габаритах обеспечивает высокую надежность и радиационную стойкость для длительной работы в космосе. Система формирования сигналов телеметрии обеспечивает высокую точность и стабильность.

3.2. Описание устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

Устройство мостовой коммутации постоянных напряжений состоит из четырех идентичных полупроводниковых модулей, каждый из которых имеет три входа, управляющих работой модуля, два выхода, к которым подключается бортовая нагрузка с двумя выводами, и четыре пары выходов сухих контактов, замыкание которых формирует телеметрическую информацию о нахождении напряжений на выходах модуля в допустимых пределах. Модули разделены на две пары, каждая из которых имеет свое напряжение питания. Для обеспечения высокой надежности устройства мостовой коммутации постоянных напряжений и высокой радиационной стойкости используется избыточность в виде дублирования, когда параллельно соединяются выходы двух модулей, имеющих различное напряжение питания, или квадрирования, когда параллельно соединяются выходы всех четырех модулей устройства мостовой коммутации постоянных напряжений. Периодическое отключение питания избыточных модулей повышает их радиационную стойкость, не прерывая работу устройства. Входные сигналы на дублированные и квадрированные модули должны подаваться идентичным образом. При дублировании и квадрировании подключенные параллельно выходы "пассивных" модулей, напряжение питания которых отключено, не нагружают параллельно подключенных "активных" модулей с включенным напряжением питания.

Коммутирующие постоянные напряжения блоки модулей устройства мостовой коммутации постоянных напряжений создаются на основе двух микросхем сдвоенного мостового возбудителя L6205N фирмы STMicroelectronics, имеющих два канала мостовой коммутации постоянных напряжений, каждый с тремя входами и с двумя выходами, на которые через мощные выходные N-МОП транзисторы, включающиеся по одному в выходной тотемно соединенной паре транзисторов в соответствии со значением трех входных сигналов, подается на выход модуля или напряжение питания микросхемы "+Uпит", или напряжение "земли", или не подается никакого напряжения. Каждая пара модулей устройства мостовой коммутации постоянных напряжений, использующая одну микросхему L6205N, имеет свое отдельное напряжение питания "+Uпит", позволяя независимо включать и отключать питание пар модулей, использующих одну микросхему. Применение микросхем L6205N, в которой размещен и логический блок управления устройством, и мощные выходные транзисторы, и мощные защитные диоды, позволяет уменьшить массу и габариты устройства и повысить его надежность. Повышению надежности устройства способствуют также имеющиеся в микросхеме блоки защиты от чрезмерного тока, протекающего через подсоединенные к напряжению питания мощные верхние выходные транзисторы тотемной пары, от сквозного тока через тотемно включенные мощные выходные транзисторы в переходном режиме переключения транзисторов тотемной пары, от перегрева кристалла микросхемы и от чрезмерного снижения напряжения питания.

Для формирования сигналов телеметрии модуля устройства мостовой коммутации постоянных напряжений используются три микросхемы сдвоенных микроэлектронных реле PVT322 фирмы International Rectifier. Два реле используются для формирования телеметрических сигналов в виде замыкания выходных сухих контактов реле, когда падение напряжения сток-исток включенных мощных выходных N-МОП транзисторов модуля находится в допустимых пределах. Измерение напряжения сток-исток выходных транзисторов производится относительно опорных напряжений формируемых на стабилитронах, для чего между ними включены входы микроэлектронных реле, сравнивающих выходные напряжения модуля с опорными напряжениями. Третье реле используется для подачи выходных напряжений модуля на входы двух микроэлектронных реле формирования телеметрических сигналов при включении напряжения питания модуля "+Uпит". При отключенном питании модуля входы реле формирования телеметрических сигналов отключены от выходов модуля, одновременно от выходов модуля отключены и все мощные выходные транзисторы модуля, так что выходы такого "пассивного" модуля не нагружают параллельно подключенных выходов другого модуля, находящегося в "активном" состоянии.

3.3. Описание функциональной схемы модуля устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

Функциональная схема модуля устройства мостовой коммутации постоянных напряжений приведена на чертеже.

Модуль использует половину интегральной микросхемы сдвоенного мостового возбудителя 1, в которой находятся два идентичных коммутирующих напряжение полумоста: с входом "Вх1" и выходом "Вых 1" и с входом "Вх2" и с выходом "Вых 2". В полумостах входные сигналы поступают на четыре двухвходовые схемы И 2, 3, 4 и 5, с выхода которых при положительном высоком уровне сигнала на входе "РАЗР" через четыре усилителя 6, 7, 8, 9 происходит включение одного из двух мощного выходного N-МОП транзистора в тотемной паре выходных транзисторов 10 и 11 и одного из двух мощного выходного N-МОП транзистора в тотемной паре выходных транзисторов 12 и 13. Через транзисторы 10 и 12 на выходы "Вых1"и "Вых2" подается положительный уровень напряжения питания "+Uпит", а через транзисторы 11 и 13 - уровень потенциала "земли". Когда на вход "РАЗР" подается низкий уровень напряжения, все мощные выходные транзисторы выключаются, и через них на выходы полупроводникового модуля напряжения не подаются. Таблица соответствия входных и выходных сигналов полупроводникового модуля устройства мостовой коммутации постоянных напряжений приведена в таблице.

Внутри микросхемы имеется схема защиты 14, защищающая от чрезмерных токов, проходящих через транзисторы 10 или 12, и от перегрева кристалла микросхемы. Система защиты 14 при срабатывании подает на вход "РАЗР" низкий уровень напряжения, вызывая выключение всех мощных выходных N-МОП транзисторов модуля. Мощные выходные защитные диоды 15, 16, 17, 18 предохраняют от появления чрезмерных положительных и отрицательных выбросов напряжений на выходах микросхемы при выключении выходных транзисторов модуля, появляющихся в результате воздействия энергии, накопленной в индуктивности индуктивно-резистивной нагрузки 19, подсоединенной к выходам модуля.

При включении напряжения питания модуля "+Uпит" это напряжение через стабилитрон 23 поступает на входные светодиоды 33 и 34 микроэлектронного реле 28, и далее цепь проходит через резистор 24 и стабилитрон 25 к нулевому напряжению "земли". В цепи устанавливается ток, превышающий ток срабатывания микроэлектронного реле, в результате чего микроэлектронное реле 28 срабатывает и через сухие контакты СК5 и СК6 выходных пар N-МОП транзисторов 39 и 40 подключает выходы модуля устройства "Вых1" и "Вых2" к входным светодиодам 29 и 30 микроэлектронного реле 26 и входным светодиодам 31 и 32 микроэлектронного реле 27 соответственно. Выходной сигнал с "Вых1" подается на общую точку соединения анода светодиода 29 и катода светодиода 30 сдвоенного микроэлектронного реле 26, так что при включении транзистора 10 ток с выхода "Вых1" будет проходить через светодиод 29, а при включении транзистора 11 ток с выхода "Вых1" будет проходить через светодиод 30, соответственно замыкая сухой контакт СК1 или сухой контакт СК2 микроэлектронного реле 26. Аналогично выходной сигнал с "Вых2" подается на общую точку соединения анода светодиода 31 и катода светодиода 32 сдвоенного микроэлектронного реле 27, так что при включении транзистора 12 ток с выхода "Вых2" будет проходить через светодиод 31, а при включении транзистора 13 ток с выхода "Вых2" будет проходить через светодиод 32, соответственно замыкая сухой контакт СКЗ или сухой контакт СК4 микроэлектронного реле 27.

В свою очередь, катоды светодиодов 29 и 31 подключаются к катодам стабилитронов 20 и 23, а аноды светодиодов 30 и 32 подключаются к катодам стабилитронов 22 и 25 двух делителей напряжения с резисторами 21 и 24. Стабилитроны формируют опорные напряжения, относительно которых измеряются выходные сигналы модуля при формировании сигналов телеметрии.

3.4. Описание принципа формирования телеметрических сигналов устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

Токи через светодиоды 29, 31 микроэлектронных реле 26, 27 начинают приходить в те моменты, когда положительное напряжение на "Вых1" или "Вых2" начинает превосходить напряжение +Uпит - Ucт+Uсд, где Ucт - напряжение на стабилитроне 20 или 23, а Uсд - прямое падение напряжения на входном светодиоде микроэлектронного реле. Токи через светодиоды 30, 32 микроэлектронных реле 26, 27 начинают приходить в те моменты, когда напряжение на "Вых1" или "Вых2" снижается ниже напряжения Ucт - Uсд, где Ucт - напряжение на стабилитроне 22 или 25. Проходящие через светодиоды токи быстро нарастают, переключаясь из стабилитрона в светодиод, и при достижении величины тока срабатывания Icp микроэлектронного реле происходит замыкание соответствующего сухого контакта. При этом из-за нелинейных вольтамперных характеристик стабилитрона и светодиода напряжение на выходе модуля, при котором срабатывает микроэлектронное реле, очень мало отличается от напряжения, при котором через светодиоды начинает проходить ток. Поскольку напряжение срабатывания микроэлектронного реле определяется напряжением стабилизации стабилитрона Ucт, то оно может задаваться с большой точностью величиной напряжения стабилизации выбираемого типа стабилитрона, которое при малых напряжениях стабилизации изменяется с дискретностью 0,3 В при переходе от одного типа стабилитрона к другому.

Таким образом, когда напряжение сток-исток включаемого мощного выходного транзистора снижается до величины ниже напряжения срабатывания микроэлектронного реле, оно срабатывает и замыкает свой сухой контакт, формируя телеметрическую информацию о нахождении напряжения на данном выходе модуля, в допустимых пределах. Напряжение срабатывания выбирается таким, чтобы в установившемся режиме напряжение сток-исток включенного мощного выходного транзистора было ниже напряжения срабатывания микроэлектронного реле примерно на 1 В.

Измерение величин напряжений срабатывания микроэлектронного реле телеметрии и напряжений сток-исток включенных выходных мощных N-МОП транзисторов микросхемы при изменении величины напряжения питания "+Uпит" происходит аналогичным образом, так что разность этих напряжений остается практически постоянной во всем диапазоне допустимых изменений напряжения питания "+Uпит", поддерживая точность и стабильность замыкания сухих контактов, формирующих телеметрическую информацию, при всех допустимых изменениях напряжения питания "+Uпит" полупроводникового модуля устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

В таблице соответствия входных и выходных сигналов полупроводникового модуля показано соответствие сигналов телеметрии, формируемых замыканием сухих контактов микроэлектронного реле, выходным сигналам полупроводникового модуля при нормальных условиях работы.

3.5. Описание конструкции устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

Конструктивно устройство мостовой коммутации постоянных напряжений выполнено в виде закрытого кожухом шасси, на котором расположена многослойная печатная плата с установленными на ней двумя микросхемами двойных мостовых возбудителей L6205N, 12 микросхемами микроэлектронных реле PVT322 и дискретными компонентами, необходимыми для создания четырех полупроводниковых модулей устройства мостовой коммутации постоянных напряжений. Выделяемое микросхемами L6205N тепло отводится через четыре “земляных” вывода корпуса микросхемы на печатную плату, где на внешних сигнальных слоях, по которым проходят линии, соединяющие компоненты, сделаны охлаждающие поверхностные теплоотводы из фольги печатной платы, отходящие от “земляных” выводов микросхемы. Тепло отводится также по сплошному внутреннему слою фольги “земляного” слоя, на который подается нулевой “земляной” уровень питающего напряжения. Слой питания многослойной печатной платы разделен на две половины, по которым к двум микросхемам L6205N подаются два отдельных независимых напряжения питания, образуя две пары полупроводниковых модулей коммутации постоянных напряжений с независимыми напряжениями питания.

Независимые напряжения питания двух пар полупроводниковых модулей устройства мостовой коммутации постоянных напряжений позволяют для повышения радиационной стойкости и срока активного существования устройства в космосе использовать на спутнике метод периодического переключения одного из дублированных полупроводниковых модулей или двух из квадрированных полупроводниковых модулей устройства поочередно из "активного" состояния с включенным напряжением питания в "пассивное" состояние с выключенным напряжением питания, а затем обратно в "активное" состояние. При периодическом чередовании включенного и выключенного состояния полупроводниковых модулей устройства мостовой коммутации постоянных напряжений избыток зарядов, накопленных в полупроводниковых компонентах полупроводникового модуля устройства под воздействием космической радиации во включенном состоянии, частично рассасывается при нахождении полупроводникового модуля устройства в выключенном состоянии, когда через полупроводниковые компоненты полупроводникового модуля устройства токи не проходят.

В результате предельная допустимая накопленная доза радиационного облучения, определяющая радиационную стойкость устройства, увеличивается примерно на порядок, обеспечивая соответствующее увеличение срока активного существования устройства мостовой коммутации постоянных напряжений в космосе.

4. Перечень фигур.

4.1. Схема функциональная полупроводникового модуля устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

5. Сведения, подтверждающие возможность изготовления устройства мостовой коммутации постоянных напряжений.

Возможность изготовления устройства мостовой коммутации постоянных напряжений из серийно выпускаемых интегральных микросхем и полупроводниковых компонентов, монтируемых на стандартной четырехслойной печатной плате, не вызывает трудностей при изготовлении на современном предприятии, изготавливающем радиоэлектронную аппаратуру для спутников.

Изобретение используется для возбуждения различных нагрузок на борту искусственного спутника Земли, имеющих два вывода, путем подачи на них напряжений прямой или обратной полярности. Устройство мостовой коммутации постоянных напряжений состоит из четырех идентичных полупроводниковых модулей, обеспечивающих резервирование для достижения высокой надежности и большого срока службы устройства. Возможность периодического чередования включенного и выключенного состояния дублированных и квадрированных полупроводниковых модулей повышает радиационную стойкость и увеличивает срок активного существования устройства в космосе, что является техническим результатом. Блоки коммутации и логические блоки полупроводникового модуля устройства собраны на основе двух микросхем двойного мостового возбудителя, а блок телеметрии полупроводникового модуля использует микросхемы сдвоенных микроэлектронных реле и дискретные компоненты. Полупроводниковый модуль устройства мостовой коммутации постоянных напряжений через выходные мощные полевые N-МОП транзисторы подает на два входа или положительный уровень напряжения питания “+Uпит”, или уровень потенциала “земли”, или не подает никакого напряжения. 1 табл., 1 ил.

Устройство мостовой коммутации постоянных напряжений, предназначенное для подачи постоянных напряжений прямой или обратной полярности на различные бортовые нагрузки искусственного спутника Земли, имеющие два вывода, отличающееся тем, что оно выполнено в виде четырех идентичных полупроводниковых модулей, использующих половину микросхемы двойного мостового возбудителя, трех микросхем сдвоенных микроэлектронных реле и дискретных компонентов, с раздельным напряжением питания для двух пар полупроводниковых модулей, что позволяет при резервировании путем дублирования или квадрирования полупроводниковых модулей периодически чередовать подачу напряжения питания на один из дублированных или пару из квадрированных полупроводниковых модулей без нарушения работы устройства с выдачей сигналов телеметрии в виде замыкания сухих контактов микроэлектронных реле при нахождении выходных напряжений полупроводниковых модулей, на которые подано напряжение питания, в допустимых пределах.