БЛОК МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕГРУЗКИ В ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G05B23/00 G05B23/02 

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 самоиндукций 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 диода, образующих управляющий вход, два управляемых элемента, включенных последовательно и образующих силовой выход, два пороговых стабилитронно-резисторных устройства, соединенных параллельно и подключенных к силовому выходу, причем выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств соединены с управляющими входами управляемых элементов, вторые выводы диодов соединены с управляющими входами управляемых элементов.

На фиг.1 представлена схема блока моделирования перегрузки в цепях электропитания.

На фиг.2 и 3 приведены примеры его использования (подключения) при испытаниях РЭА в части срабатывания блоков защиты РЭА от перегрузок по току и напряжению соответственно.

На фиг.1 и на других чертежах показаны:

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 Uпит_МАКС 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;

U0, U1, U2 - цепи на схеме 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 может выйти из строя при или после имитации перегрузки, что, в свою очередь, может привести к выходу из строя еще не проверенную РЭА или источник питания.

На фиг.2 и 3 и по тексту использованы следующие обозначения:

1 - источник питания G радиоэлектронной аппаратуры, имеющий максимальное значение напряжения, равное Uпит_МАКС,

2 - сопротивление нагрузки или нормально работающий прибор проверяемой РЭА (или система взаимосвязанных приборов, снабженных при необходимости внутренней системой защиты), условно обозначенный RZ,

3 - блок включения и защиты прибора 2 RZ 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 U34, несколько превышающем максимально возможное нормальное напряжение питания Uпит_МАКС,

5 - предлагаемый блок моделирования перегрузки в цепях электропитания, одновременно обеспечивающий защиту приборов 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>Uпит_МАКС. При этом напряжение защиты Uз₅, обеспечиваемое блоком 5 на фиг.2 и фиг.3, 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 (точки U0 и U2). Параллельно силовому выходу (выводы U0 и U2) подключены два пороговых стабилитронно-резисторных устройства VD1 - R1 и VD2 - R2 и 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 только дополнительно принять меры по ограничению базовых токов). Выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств (общие точки стабилитронов и резисторов каждого такого устройства) соединены с управляющими входами управляемых элементов. Управляющий вход блока через диоды VD3 и VD4 также соединен с управляющими входами управляемых элементов VT1 и VT2. Общая точка U1 последовательно соединенных управляемых двух элементов VT1 и VT2 образует технологическую цепь, которая используется при проверке работоспособности последовательно включенных управляемых элементов VT1 и VT2 на этапе изготовления и настройки блока.

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.

В случае, когда сумма постоянного напряжения и импульса помехи превысит заданный уровень U3₅, стабилитроны VD1 и VD2 начинают пропускать ток, на соответствующих резисторах R1 и R2 выделяется напряжение, которое прикладывается к управляющим входам обоих управляемых элементов VT1 и VT2, они открываются и образуют шунт между силовыми шинами U2, U0. 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. 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.3) не способна парировать перенапряжения.

В РЭА блоки защиты 3 и 4 штатно работают следующим образом. Прибор 2 (фиг.2) 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.3) 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 U3₄, незначительно превышающем максимально возможное напряжение питания аппаратуры Uпит_МАКС.

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.2 - 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.3 - параллельно шинам питания U2 и U0.

При проверке работоспособности и параметров защиты блока 3 (фиг.2) 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.3) 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.

Использованная литература

1. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С.Найвельта, М., 1985 г., с.470, предпоследняя схема в табл.12.2.

Использование: при испытаниях комплекса приборов РЭА. Технический результат заключается в увеличении надежности проверки работоспособности РЭА и в защите РЭА при испытаниях. Блок моделирования перегрузки в цепях электропитания содержит два диода, первые выводы которых образуют управляющий вход, два управляемых элемента, включенных последовательно и образующих силовой выход, два пороговых стабилитронно-резисторных устройства, включенных параллельно и подключенных к силовому выходу, причем выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств соединены с управляющими входами управляемых элементов, вторые выводы диодов соединены с управляющими входами управляемых элементов. 3 ил.

Блок моделирования перегрузки в цепях электропитания, содержащий два диода, одни выводы которых образуют управляющий вход, два управляемых элемента, включенных последовательно и образующих силовой выход, два пороговых стабилитронно-резисторных устройства, включенных параллельно и подключенных к силовому выходу, причем выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств соединены с управляющими входами управляемых элементов, вторые выводы диодов соединены с управляющими входами управляемых элементов.