Вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) стоят всегда на первом месте при разработке систем вторичного электропитания (СВЭП) летательных аппаратов (ЛА). В статье рассматривается один из аспектов ЭМС СВЭП – повышение надёжности систем авиационного бортового электропитания посредством оптимизации структуры и способов решения вопросов подавления радиопомех.
Традиционным способом решения задач ЭМС считается установка на входе (а иногда и на выходе) СВЭП соответствующих фильтров радиопомех (ФРП). Такой способ приемлем, когда нижняя граница спектра радиопомех находится на частотах 100…150 кГц. В настоящее время это значение снизилось до 10 кГц. Кроме того, авиационная бортовая сеть постоянного тока напряжением 27 В по ГОСТ Р 540732010 имеет переходные отклонения (выбросы) до 81 В длительностью до 1 с! Здесь уже не поможет никакой ФРП.
В материалах [1–3] рассматривается структура СВЭП на основе ограничителя выбросов напряжения (ОВН), которая решает эффективно вышеперечисленные задачи.
Классификация ОВН, особенности их структуры, схемотехники и алгоритмы работы подробно рассмотрены в технической и патентной литературе [1–4]. По способу работы в режиме ограничения напряжения ОВН можно условно разделить на ОВН с непрерывным принципом работы в режиме ограничения и ОВН с импульсным принципом работы в режиме ограничения – импульсные ОВН [1]. Там же показано, что для нормализации значительной мощности наиболее перспективны ОВН импульсного типа. Далее речь пойдёт только об ОВН импульсного типа.
На рисунке 1 графически демонстрируется алгоритм работы ОВН серии МДН (изготовитель – ООО «АЭИЭП», г. Москва) при переходных процессах, возникающих в сети электропитания ЛА.
В нормальном режиме работы сети электропитания, когда входное напряжение находится в диапазоне 17…36 В, ОВН работает в установившемся режиме – выходное напряжение практически повторяет входное. Падение напряжения на ОВН не превышает 300 мВ при номинальном выходном токе, что соответствует максимальному КПД прибора – более 99%. Выброс входного напряжения с амплитудой 81 В ограничивается на выходе ОВН на уровне 37 В, безопасных для работы потребителей Пn. При этом ОВН переходит в импульсный режим работы с КПД преобразования не менее 95%. Перегрева силовых элементов ОВН не происходит, поэтому длительность перегрузки значения не имеет.
При построении бортовой СВЭП она обычно «набирается» из модулей питания (МП) необходимой мощности и выходного напряжения. Для удовлетворения требований по уровню помех на входе устанавливаются соответствующие фильтры. В СВЭП на основе ОВН необходимость во входных фильтрах отпадает, т.к. их функции берёт на себя ОВН. Основное назначение ОВН – ограничение выброса входного напряжения. Остальные полезные возможности ОВН даются разработчику СВЭП «в придачу и бесплатно». Сложность СВЭП при этом не возрастает, массогабаритные и удельные характеристики не ухудшаются, а функциональные возможности существенно расширяются. Типовая функциональная схема бортовой СВЭП на основе ОВН представлена на рисунке 2 [5].
При построении СВЭП модуль ОВН включается на входе один на всю систему электропитания. СВЭП на рисунке 2 состоит из двух подсистем с одно и двухканальными модулями питания МП1–МПn и МП(n+1)–МП(n+k), которые подключены к выходам соответственно ОВН1 и ОВН2. Каждая из подсистем управляется блоком управления (БУ). Нагрузкой МП являются потребители П1–Пn, которые могут получать электропитание и управление как от «своего» ОВН, так и от обоих (потребитель П2).
Рассмотрим подробнее особенности ОВН как устройства помехоподавления. В установившемся режиме работы ОВН серии МДН представляет собой, по существу, фильтр, управление включением которого может осуществляться по выводу ВКЛ маломощным ключом (маломощным транзистором, контактами реле, выходом цифровой ИМС). Сглаженная частотная характеристика коэффициента ослабления КОСЛ ОВН серии МДН с максимальным выходным током 5 А показана на рисунке 3.
Наибольшее ослабление (вплоть до 60 дБ) собственно ОВН имеет в диапазоне 75…400 кГц, где располагаются первые, наиболее мощные гармоники модулей питания СВЭП. ОВН, таким образом, является эффективным фильтром помех от СВЭП в бортовую сеть и обратно. Со снижением частоты фильтрующие свойства ОВН уменьшаются. На частотах в несколько килогерц его вообще как фильтр рассматривать нельзя. Однако это не является препятствие для его применения, т.к. современные МП работают на частотах от 100 кГц и выше и на частотах в несколько кГц помехи не генерируют. Помехи этого диапазона проходят через ОВН без ослабления, но значительно ослабляются узлами и блоками МП, так что на выходе МП, у потребителей Пn, низкочастотные составляющие помех также отсутствуют.
В динамическом же режиме работы (режиме ограничения входного напряжения) ОВН продолжает оставаться эффективным фильтром вплоть до самых низких частот. На рисунке 4 показан результат помехоподавления ОВН в режиме ограничения выходного напряжения.
Здесь и далее оранжевым цветом показаны осциллограммы входного напряжения, зелёным цветом – выходного. Испытательная установка накладывает периодическую помеху частотой в несколько килогерц и амплитудой около 50 В на выброс входного напряжения. При подключении генератора помех к ОВН уровень помехи на входе последнего уменьшается более чем вдвое – происходит первичная фильтрация на входном конденсаторе ОВН. При этом на выходе ОВН амплитуда пульсаций составляет около 1 В на активной нагрузке. Подключение на выход ОВН модулей питания уменьшает амплитуду помехи ещё вдвое – работает входной фильтр МП. Однако и этого уже не требуется, т.к. МП активно подавляет помеху такого уровня на входе.
Аналогичные результаты в режиме ограничения получаются при подаче на вход ОВН помехи частотой в единицы – сотни герц. На рисунке 5 показан результат помехоподавления в частотном диапазоне 5…100 Гц.
В этом случае входной конденсатор и внутренний фильтр ОВН практически не работают – слишком низкая частота. Помехоподавление осуществляется активной фильтрацией схемы ОВН. На выходе ОВН амплитуда пульсаций также составляет около 1 В на активной нагрузке.
В режиме ограничения выходного напряжения ОВН можно рассматривать как эффективный фильтр с нижней частотой помехоподавления fН = 0. В самом деле, выброс входного напряжения 81 В в соответствии с ГОСТ Р 540732010 имеет продолжительность 1 с (условно – половина периода), что соответствует частоте f = 0,5 Гц! На рисунке 6 показаны осциллограммы работы ОВН в режиме ограничения и одновременно фильтрации входного напряжения, имитирующего напряжение в реальной бортовой СВЭП.
Амплитудное значение выброса входного напряжения достигает 51 В, длительность переходного процесса около 2 с. Нарастание и спад напряжения сопровождаются высокочастотными коммутационными помехами. Однако ОВН эффективно сглаживает их, фиксируя выходное напряжение на уровне около 37 В.
Для исследования предельных возможностей ОВН в динамическом режиме испытательной установкой на входе была сгенерирована импульсная низкочастотная помеха с амплитудой около 70 В (см. рис. 7)!
Входной конденсатор ОВН в этом режиме также практически не работает. Помехоподавление осуществляется активной фильтрацией схемы ОВН. На выходе ОВН амплитуда пульсаций также около 2 В на активной нагрузке. Подключённые к ОВН МП СВЭП уверенно фильтруют помехи такой амплитуды.
Итак, хотя основное назначение ОВН – ограничение низкочастотного выброса входного напряжения, СВЭП с ним в составе по сравнению с традиционными получает ещё ряд полезных качеств, а именно:
- в установившемся режиме работы ОВН представляет собой эффективный помехоподавляющий фильтр, коэффициент ослабления которого в диапазоне частот 50…300 кГц достигает 60 дБ;
- наличие входных конденсаторов позволяет улучшить качественные показатели входной сети и повысить уровень помехоподавления ОВН;
- мгновенное значение тока через ОВН ограничено, что защищает потребителей Пn от неограниченных входных токов при запуске;
- при отказе одного из модулей МП, подключённых к ОВН, типа «КЗ по входу», ОВН квалифицирует это как короткое замыкание по выходу и переходит в режим релаксации. Средний ток в режиме релаксации, протекающий через прибор, не превышает (0,1…0,2) от максимального выходного тока. Этот режим работы безопасен для ОВН, и он может работать в нём длительное время без опасности перегрева, защищая при этом входную сеть от перегрузки.
Таким образом, применение ОВН в составе бортовых СВЭП эффективно решает проблемы ЭМС и попутно повышает надёжность и безопасность ЛА.
Литература
- Миронов А. А. Ограничители напряжения – эффективный способ повышения надёжности и помехоустойчивости бортовой РЭА. Научнотехнический сборник «Электрическое питание». Сборник докладов научнотехнической конференции. М., 2006 С. 44–48.
- Миронов А. А. Ограничитель напряжения. Патент РФ на полезную модель № 46594, 2005 г.
- Миронов А. А., Затулов С. Л. Расширение функциональных возможностей ограничителей выбросов напряжения для бортсетей. Электропитание. 2015. № 2. С. 54–58.
- Миронов А. А., Затулов С. Л. Ограничитель выбросов напряжения. Патент РФ на полезную модель № 153770, 2015.
- Миронов А. А., Инякин Е. С. Применение ограничителей выбросов напряжения для нормализации параметров авиационной бортсети. Аэрокосмическое приборостроение. 2020. № 3. С. 13–26.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
