Устройство для проверки работоспособности ограничительных диодов

Устройство для проверки работоспособности ограничительных диодов предназначено для оценки исправности ограничительных диодов после воздействия молние-электростатических разрядов при поиске неисправностей в процессе эксплуатации самолета и лабораторных исследованиях. Ограничительные диоды (tvs-диоды) служат для защиты цепей электронных устройств (в частности, БКС-бортового концентратора сигналов информационно-управляющей системы (ИУС) самолета), от воздействия на самолет молние-электростатических разрядов.

Данное устройство относится к наземному оборудованию самолета и функционально направлено на повышение надежности и жизнеобеспечение ИУС.

Из уровня техники известны устройства для испытания ограничительных диодов:

Vishay General Semiconductor, выпускаемые предприятием-производителем TRANSZORB® Transient Voltage Suppressors (www.vishay.com);

- устройство «ISKRA», производителем которого является предприятие Commeng (www.commeng.ru);

- техническое устройство для проведения испытаний на прочность (устойчивость) к электростатическим разрядам, ГОСТ Р 5131742-99.

Существующие устройства по принципу испытаний следует разделить на две группы.

В состав первой группы входят, например, Vishay General Semiconductor и «ISKRA».

В основу работы этих устройств положен метод, при котором измеряется падение напряжения на добавочном резисторе R при изменении напряжения источника питания от U_min до U_max при токе стабилизации 1 мА, то есть происходит снятие вольт-амперной характеристики в цепи ограничительного диода.

Недостатки данного метода испытаний ограничительных диодов:

1. Отсутствует возможность точного определения напряжения, при котором происходит включение ограничительного диода, U_пop.

2. Отсутствует возможность определения длительности ипульса ограничительного диода во включенном состоянии.

3. При испытании на работоспособность ограничительных диодов методом снятия вольт-амперной характеристики при случайном превышении тока стабилизации от 1 мА может возникнуть его перегрев. В результате перегрева р-n перехода ограничительного диода могут измениться его основные параметры, пороговое напряжение U_пop открытия и время перехода с выключенного состояния во включенное, t_вкл. В таком случае, ограничительные диоды теряют защитную функцию электрических цепей электронных блоков.

Ко второй группе относится, например, испытательный генератор (ИГ), описание которого приведено в ГОСТ Р 5131742-99. В основе работы испытательного генератора лежит моделирование процессов, происходящих при молние-электростатических разрядах. Испытательный генератор предназначен для проведения испытаний в лабораторных условиях на стойкость электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий и оборудования при воздействии разрядов статического электричества или разрядов молнии.

Испытание на прочность оборудования с помощью испытательного генератора выполняется двумя методами - контактного и воздушного разряда.

При испытании методом контактного разряда разрядный наконечник находится в соприкосновении с испытуемым техническим средством (ИТС) и разряд производится при помощи разрядного ключа внутри ИГ.

При испытании методом воздушного разряда разрядный наконечник ИГ находится под напряжением и его постепенно приближают к ИТС до возникновения разряда в воздухе между ИГ и ИТС.

Наиболее близким к устройству для проверки ограничительных диодов является ИГ, известный из ГОСТ Р 5131742-99, используемый, в частности, при испытании ИТС контактным методом разряда и состоящий из установленных параллельно накопительного конденсатора, связанного через зарядный ключ с высоковольтным блоком, а через ключ разряда - с компонентом испытания.

Испытания при помощи ИГ имеют ряд существенных недостатков:

1. На результат испытаний ИТС с помощью ИГ влияют многие составляющие факторы: конструкция испытательного оборудования, влажность, температура окружающей среды, скорость приближения разрядного наконечника, окружающая электромагнитная обстановка, что приводит к недостоверности полученных результатов.

2. Испытательное оборудование ИГ громоздкое и предназначено для испытаний ИТС в лабораторных условиях.

3. При испытании методом контактного разряда и методом воздушного разряда возникает искра, которая имеет сложное физическое явление и существенно влияет на результат испытания.

4. Параметры импульса ИГ зависят от конструктивного исполнения и технического его состояния (длинны проводов, состояния разрядного ключа, изоляции проводов).

5. В ИГ отсутствует блок коммутации и, как следствие, возможность использовать ИГ для проверки исправности кабель-вставки с ограничительными диодами при наземном контроле самолета.

6. Отсутствует возможность использовать ИГ для проверки исправности кабель-вставки с ограничительными диодами при наземном контроле самолета вследствие возможного «случайного» разряда на незащищенные цепи кабель-вставки.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы устройства и безопасности проведения испытаний за счет исключения из конструкции открытых электрических элементов, таких как разрядный наконечник, а также повышение достоверности оценки работоспособности ограничительных диодов путем измерения амплитуды и длительности испытательного импульса в цепях ограничительных диодов, кроме того использование устройства позволяет сократить время для проверки защитных ограничительных диодов при наземном контроле самолета.

Для достижения технического результата в устройстве для проверки работоспособности ограничительных диодов, состоящем из накопительного конденсатора, связанного через зарядный ключ с высоковольтным блоком, а через ключ разряда - с блоком коммутации, в цепь устройства между накопительным конденсатором и ключом разряда установлен блок переключения полярности испытательного импульса, а блок коммутации соединен с блоком имитации входных-выходных цепей, выполненным с возможностью параллельного подключения к нему блока калибровки и кабель-вставки с испытуемыми ограничительными диодами, с возможностью подключения к ним осциллографа.

Кроме того, накопительный конденсатор может быть снабжен многофункциональным электроизмерительным прибором, а кабель-вставка снабжена осциллографом с функцией памяти.

Ограничительные диоды электрически подключаются параллельно входным-выходным цепям БКС в бортовую кабельную сеть, то есть параллельно входному-выходному сопротивлению каскадов электронного блока. Конструктивно ограничительные диоды вмонтированы в отдельную кабель-вставку, подсоединяемую к разработанному устройству.

При разрядах статического электричества или молнии в бортовых электрических цепях электронных блоков ИУС наводится ЭДС (элетродвижущаяся сила). В результате наведенной ЭДС в цепях электронных блоков ИУС возникает импульс напряжения, значение которого в несколько раз превышает допустимое и может достигать значения от 100 В до 3000 В и выше.

Процесс разряда статического электричества или молнии протекает в течение короткого времени (приблизительно от 1 мск до 100 мск и более) и в первом приближении представляет собой полигармоническую форму, затухающую по экспоненте.

В результате воздействия разрядов статического электричества или разрядов молнии на электрическую цепь летательного аппарата на выводах ограничительного диода присутствует напряжение, которое по амплитуде приблизительно равно наведенной ЭДС и затухает в первом приближении по экспоненте, имея сложную полигармоническую форму.

При воздействии на выводы ограничительного диода импульса напряжения в течение времени t_вкл происходит переключение ограничительного диода с выключенного состояния во включенное.

При включенном состоянии ограничительный диод шунтирует защищаемые входные (выходные) цепи блоков ИУС, тем самым, защищая их от перенапряжения. При включенном состоянии, через ограничительный диод протекает электрический ток, который зависит от наведенной ЭДС в цепи блоков ИУС, входного (выходного) сопротивления участка цепи и R_огр (сопротивление) ограничительного диода.

Ограничительные диоды, которые предназначены для защиты электрических цепей электронных блоков от перенапряжения, имеют свойство резко снижать сопротивление R_огр при превышении порогового напряжения U_пор.

Под пороговым напряжением U_пор ограничительного диода понимается напряжение на его выводах, при котором резко снижается сопротивление и диод переходит во включенное состояние. Время перехода ограничительного диода с выключенного состояния во включенное может составлять приблизительно наносекунды и характеризуется временем включения t_вкл..

При отсутствии разрядов статического электричества или грозовых молний, в электрической цепи ограничительного диода в зависимости от применяемого типа ограничительного диода течет электрический ток приблизительно от 1 мкА до 5 мкА.

Мгновенную мощность в импульсе, проходящую через ограничительный диод, при воздействии разряда статического электричества или разряда молнии можно представить следующей функциональной зависимостью:

при dR_огр стремится к min, а мгновенная мощность Р_огр. ограничительного диода к стремится max значению.

При этом электрический ток, который протекает через ограничительный диод в включенном состоянии, при воздействии разряда статического электричества или разряда молнии, может достигать уровня в несколько раз выше его номинального значения. Тогда при протекании через ограничительные диоды электрического тока выше их предельно допустимого значения они могут выходить из строя.

Вышедшие из строя ограничительные диоды, в результате электрического пробоя или теплового удара, теряют защитную функцию электрической цепи.

Использование предлагаемого устройства позволяет быстро и безопасно проверить работоспособность ограничительных диодов кабель-вставки летательного аппарата после воздействия разрядов статических полей или разрядов молнии, а также осуществить проверку работоспособности ограничительных диодов с высокой степенью достоверности.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, на фиг. 2 - форма импульса в цепи кабель-вставки с ограничительными диодами.

В состав устройства для проверки работоспособности ограничительных диодов входят следующие блоки:

1 - высоковольтный блок;

2 - накопительный конденсатор;

3 - ключ заряда;

4 - блок имитации входных-выходных цепей;

5 - блок калибровки;

6 - мультиметр;

7 - кабель-вставка;

8 - блок коммутации;

9 - осциллограф;

10 - ключ разряда.

11 - блок переключения полярности.

Назначение блоков устройства для проверки работоспособности ограничительных диодов:

Высоковольтный блок 1 предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное и формирования высокого напряжения. Высоковольтный блок 1 состоит из трансформатора и выпрямительного высоковольтного диодного моста. Устройство высоковольтного блока позволяет сформировать на его выводах напряжение в широком диапазоне (до 1200 В) в зависимости от напряжения проверяемых ограничительных диодов.

Накопительный конденсатор 2 предназначен для создания в цепи устройства кратковременного мощного электрического импульса. Напряжение на конденсаторе 2 измеряется с помощью многофункционального электроизмерительного прибора, например, мультиметра 6.

Блок имитации входных-выходных цепей 4 предназначен для замещения электрических цепей электронных блоков ИУС. Блок имитации входных-выходных 4 цепей состоит из резистивных элементов, которые по абсолютной величине равны входному-выходному сопротивлению цепи, защищаемой ограничительным диодом. Блок имитации входных-выходных цепей 4 выполнен с возможностью подключения к нему блока калибровки 5 или кабель-вставки 7 с испытуемыми ограничительными диодами.

Блок калибровки 5 представляет собой аналог кабель-вставки 7. В нем вмонтированы исправные ограничительные диоды, которые находятся в рабочем состоянии. Характеристики ограничительных диодов (пороговое напряжения U_пор и длительности t импульса) зависят от условий внешней среды (температуры, влажности и т.д.), поэтому для более точного определения рабочих параметров ограничительных диодов в кабель-вставке 7, проводится предварительное контрольное определения этих технических параметров на исправных ограничительных диодах блока калибровки 5 в условиях испытания.

Таким образом, функция калибровки, то есть предварительное определение для каждого типа ограничительного диода порогового напряжения U_пор и измерение длительности t импульса в открытом состоянии ограничительного диода, повышает степень точнсти определения вышедших из строя защитных ограничительных диодов.

Кабель-вставка 7 состоит из соединенных между собой двух разъемов и установленного между ними модуля с ограничительными диодами. Кабель-вставка 7 является съемной частью ИУС самолета, которая для проведения проверки работоспособности ограничительных диодов снимается с летательного аппарата и подключается к заявляемому устройству.

Блок коммутации 8 предназначен для выбора входной-выходной цепи в блоке имитации входных-выходных цепей 4 и соответствующего подключенного к ней проверяемого ограничительного диода в кабель-вставке 7. Блок коммутации 8 состоит из электромеханических переключателей.

Ключ заряда 3 предназначен для включения тока зарядки накопительного конденсатора 2. Ключ разряда 10 предназначен для включения тока разряда накопительного конденсатора 2. Ключ заряда 3 и ключ разряда 10 представляют собой высоковольтные переключатели.

Осциллограф 9 предназначен для измерения амплитуды и длительности импульса напряжения в цепи проверяемого ограничительного диода кабель-вставки 7 и блока калибровки 5 и визуализации формы и продолжительности импульса. Осциллограф 9 должен иметь возможность измерять длительность импульсов в диапазоне от мкс до нс, а также должен быть снабжен функцией памяти.

При испытании ограничительных диодов, выбор полярности испытательного импульса, осуществляется с помощью блока 11 переключения полярности напряжения, состоящего из двух пар взаимно блокировочных контактов. Коммутация полярности испытательного импульса осуществляется механическим способом.

Устройство для проверки работоспособности ограничительных диодов работает следующим образом.

Устройство питается от источника переменного напряжения 220 В. В высоковольтном блоке 1 переменное напряжение с 220 В повышается до переменного напряжения необходимой по условиям испытаний величины. Затем в высоковольтном блоке 1 переменное напряжение с помощью выпрямительного диодного моста преобразуется в постоянное напряжение.

К обкладкам накопительного конденсатора 2 высоковольтное напряжения подается включением зарядного ключа 3. При включенном положении зарядного ключа 3 накопительный конденсатор 2 заряжается по экспоненте до уровня напряжения, необходимого для испытания ограничительного диода. Напряжение в цепи накопительного конденсатора 2 определяется с помощью подключенного к конденсатору 2 мультиметра 6 или любого другого многофункционального электроизмерительного прибора. Для ограничения зарядного тока накопительного конденсатора 2 в цепь его зарядки включается ограничительный резистор. При достижении заданного напряжения на накопительном конденсаторе 2 оператор отключает зарядный ключ 3.

Для проведения испытания с помощью переключателей блока коммутации 8 в кабель-вставке 7 выбирается ограничительный диод, подлежащий проверке.

К выводу выбранного испытуемого ограничительного диода предварительно перед подачей испытательного импульса подключается осциллограф 9 для фиксации амплитуды и длительности импульса. Затем замыкается разрядный ключ 10 и в электрические цепи, которые состоят из параллельно подключенных ограничительных диодов кабель-вставки 7 и имитаторов входных-выходных цепей 4, подается напряжение, которое в начальный момент соответствует напряжению на накопительном конденсаторе 2.

При напряжении, поступившем на ограничительный диод, выше чем значение порогового напраяжения - U_пор, ограничительный диод мгновенно открывается, при этом основной разрядный ток проходит через ограничительный диод. Таким образом, ограничительный диод, шунтируя электрическую цепь, ее защищает. В паралельной цепи, состоящей из блока имитации входных-выходных цепей 4 и ограничительного диода кабель-вставки 7, формируется импульс напряжения по амплитуде равный U_пор и длительностью импульса t, см. фиг. 2.

Амплитуда порогового импульса напряжения U_пор и его длительность t измеряются с помощью осциллографа 9.

Измеренные параметры каждого канала кабель-вставки 7 сравнивают с аналогичными характеристиками ограничительного диода блока калибровки 5, полученными заранее. С блоком калибровки производятся все те же манипуляции (переключения, измерения), что и с блоком кабель-вставки 7. Сначала подключается блок калибровки 5 к устройству, производится подача испытательного импульса и измерение параметров с помощью осциллографа 9. Затем блок калибровки 5 отключается и на его место подключается кабель-вставка 7 для проведения испытания ограничительных диодов. Измеренные значения амплитуды и длительности импульса напряжения в цепи испытуемых ограничительных диодов сравниваются с аналогичными параметрами в цепи ограничительных диодов, которые были получены при калибровке.

В случае существенного отступления измеренных параметров (U_пор, t) одного из каналов кабель-вставки 7 от параметров аналогичного канала блока калибровки 5 можно считать, что ограничительный диод данного канала кабель-вставки 7 вышел из строя.

Данное устройство позволяет контролировать два основных параметра, при испытании ограничительных диодов - пороговое напряжение включения ограничительного диода U_пор и длительность импульса t.

С помощью рассматриваемого устройства для проверки работоспособности ограничительных диодов можно контролировать состояние как симметричных, так и несимметричных ограничительных диодов в широком динамическом диапазоне. С помощью устройства для испытания ограничительных диодов можно формировать испытательные импульсы в диапазоне от 100 В до 1200 В.