УСТРОЙСТВО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и вычислительной технике и может быть использована для функционального контроля параметров различных источников вторичного электропитания (ИЭП), например, для составных частей беспилотного летательного аппарата (БПЛА), при климатических испытаниях.
За прототип выбран имитатор нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов по Патенту РФ на полезную модель №75755 U1, 2008 г., МПК G01R 31/02, G01R 31/40, 2008 г., опубл. 20.08.2008 г. Бюл. №23.
∗)
Устройство-прототип содержит блок внешнего электро-питания, блок внутреннего электропитания, ЭВМ∗ ( рабочую станцию, наименование в заявляемом устройстве), управляющий контроллер и нагрузочные модули∗ (программируемых нагрузок)
на основе наборов управляемых ключевых транзисторных элементов, соединенных с резисторами.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- невозможность контроля параметров нагрузки (ток и напряжение) и входного напряжения контролируемого ИЭП из-за отсутствия мультиметра и блоков коммутации (БК);
- невозможность проверки контролируемого ИЭП при различных напряжениях питания из-за отсутствия программируемого источника испытательного напряжения (ПИИН) и БК;
- невозможность контроля параметров ИЭП с двухканальным выходом из-за параллельного (зависимого друг от друга) подключения нагрузочных модулей, что не обеспечивает независимые каналы нагрузки выходов контролируемого ИЭП;
- невозможность прецизионной установки испытательного тока нагрузки (недостаточное количество градаций) из-за зависимости дискретности тока нагрузки от количества наборов управляемых ключевых транзисторных элементов с резисторами, поскольку отсутствует плавная регулировка испытательного тока нагрузки;
- невозможность проверки защиты от короткого замыкания (КЗ) из-за отсутствия соответствующего реле, установленного между выходами контролируемого ИЭП;
- -невозможность контроля одновременно нескольких различных источников электропитания в камере климатических испытаний из-за отсутствия многопозиционного блока соединителей (БС).
Целью полезной модели является обеспечения одновременного функционального контроля параметров нескольких различных ИЭП - тока потребления, выходного напряжения, пульсации выходного напряжения, нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки во время проведения климатических испытаниях.
Решаемой задачей являются:
- обеспечение возможности контроля параметров нагрузки (ток и напряжение) и входного напряжения контролируемых ИЭП введением мультиметра и БК;
- обеспечение возможности проверки контролируемых ИЭП при различных напряжениях питания введением программируемого источника испытательного напряжения (ПИИН) и БК;
- обеспечение возможности контроля параметров ИЭП с двухканальным выходом путем независимого друг от друга подключения программируемых нагрузок (ПН), с образованием, по меньшей мере, двух независимых каналов нагрузки выходов контролируемых ИЭП;
2
обеспечение возможности прецизионной установки испытательного тока нагрузки путем выполнения ПН в виде МОП-транзистора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и операционного усилителя (ОУ), МОП-транзистор - МОП-структура (металл - оксид - полупроводник) - наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем диоксида кремния (SiO). Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми или МОП-транзисторами (англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET) [Свободная энциклопедия Википедия];
- обеспечение возможности проверки защиты от КЗ установкой реле между выводами истока и стока МОП-транзистора в составе ПН, и соединение его через БК с выходами контролируемого ИЭП;
- обеспечение возможности контроля одновременно нескольких различных источников электропитания в камере климатических испытаний путем использования многопозиционного БС, а также БК для каждого контролируемого ИЭП.
Сущность полезной модели состоит в том, что в устройстве функционального контроля источников электропитания при климатических испытаниях, содержащем блок внешнего электропитания, блок внутреннего электропитания, рабочую станцию (РС), управляющий контроллер (УК) и программируемые нагрузки (ПН), в состав введены мультиметр, программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН), блок соединителей (БС) и по меньшей мере, два блока коммутации (БК), каждый из которых состоит, по меньшей мере, из трех реле, а каждая ПН выполнена в виде цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), операционного усилителя (ОУ), МОП-транзистора и реле для проверки защиты от короткого замыкания, при этом первый вход-выход ПИИН подключен к первым входам-выходам ПН, а его выход - к третьим входам БК, первый вход-выход РС подключен ко второму входу-выходу ПИИН, второй вход-выход РС подключен к первому входу-выходу УК, а третий вход-выход РС - к третьему входу-выходу мультиметра, ко второму входу-выходу и соответственно ко входу ЦАП каждой ПН подключен третий вход-выход УК, выход ЦАП соединен со входом ОУ, выход ОУ соединен с затвором МОП-транзистора, а исток и сток последнего соединены через БК и БС с выходами соответствующего контролируемого ИЭП, реле подключено параллельно упомянутому МОП-транзистору между выводами его истока и стока, а выходы ПН подключены к первым входам БК независимо друг от друга и образуют, по меньшей мере, два независимых канала нагрузки выходов контролируемых источников электропитания (ИЭП), второй вход-выход УК подключен к первым входам-выходам БК, вторые входы-выходы БК подключены к первому входу-выходу мультиметра, а третьи входы-выходы БК - к первому входу-выходу БС, второй вход-выход которого подключен ко второму входу-выходу мультиметра, причем блоки внешнего и внутреннего электропитания обеспечивают электропитание составных частей устройства.
Сущность полезной модели поясняется также функциональными схемами устройства, блока коммутации и программируемой нагрузки, и показанным соответственно на фиг. 1, 2 и 3, на схемах приняты следующие обозначения.
1 - блок внешнего электропитания,
2 - программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН),
3 - рабочая станция (РС),
4 - блок внутреннего электропитания,
5 - программируемые нагрузки (ПН);
6 - управляющий контроллер (УК),
7 - мультиметр;
8 - блоки коммутации (БК);
9 - блок соединителей (БС);
10 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ПН;
11 - операционный усилитель (ОУ) ПН;
12 - МОП-транзистор ПН;
13 - реле для проверки защиты от короткого замыкания (КЗ) ПН;
14 - реле БК.
Описание устройства в соответствии с функциональными схемами
∗∗)
Все составные части заявляемого устройства установлены в металлическом корпусе∗∗ ( на схеме не показан) и находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи, внутренний электромонтаж осуществляется через разъемы∗∗ составных частей, а также монтажными жгутами∗∗ и перемычками∗∗, т.е. технический результат обеспечивается совокупностью признаков всех элементов конструкции, при этом исключение одного из элементов конструкции исключает и возможность функционирования устройства в целом.
Блок внешнего питания 1 предназначен для распределения сетевого напряжения ~220 В, 50 Гц по блокам (составным частям) комплекса, а автоматический выключатель (АВ в состав заявляемого комплекса не входит и на схеме не показан) предназначен для защиты работающего с комплексом персонала от поражений электрическим током, в результате возможного пробоя изоляции электрической цепи ~220 В на корпус вследствие короткого замыкания или перегрузки.
Программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН) 2 предназначен для формирования и подачи через БК 8 и БС 9 различных напряжений на контролируемые ИЭП.
Рабочая станция (РС) 3 может быть выполнена в виде персонального компьютера (ПК)∗∗ с принтером∗∗ и монитором∗∗, устанавливается на лицевой панели корпуса и предназначена для формирования сигналов управления УК 6, обратной связи с ПИИН 2 и мультиметром 7, производства анализа результатов измерений, их индикации и распечатки, управления измерительными приборами, обеспечения интерфейса с пользователем посредством программного обеспечения, а также для хранения протоколов измерений.
Блок внутреннего электропитания 4 предназначен для формирования напряжения +5 В и +12 В для электропитания УК 6 и БК 8.
Программируемые нагрузки (ПН) 5 предназначены для имитации различных нагрузок ИЭП.
Каждая ПН 5 состоит из цифро-аналового преобразователя (ЦАП) 10, операционного усилителя (ОУ) 11, силового МОП-транзистора (VT1) 12 и реле (К1) 13 для проверки работы защиты от короткого замыкания (КЗ) контролируемого ИЭП.
ЦАП 10 предназначен для преобразования сигнала от УК 6 в соответствии с командой от РС 3 и передачи его ОУ 11.
∗∗∗)
ОУ 11 предназначен для управления через затвор∗∗∗ ( на схеме не обозначен) силовым МОП-транзистором 12, работающем в активном режиме и способным рассеять до 50 Вт, при этом исток и сток∗∗∗ МОП-транзистора 12 через БК 8 и БС 9 подключены к выходам контролируемого ИЭП.
МОП-транзистор 12 предназначен для обеспечения необходимых токов нагрузки на выходах контролируемого ИЭП.
Реле 13 предназначено для проверки работы защиты от КЗ контролируемого ИЭП, установлено параллельно МОП-транзистору 12 между выводами его истока и стока и соединено с выходами контролируемого ИЭП.
Управляющий контроллер (УК) 6 предназначен для приема управляющих команд от РС 3 и управления в соответствии с этими командами БК 8 и ПН 5.
Мультиметр 7 представляет собой универсальный вольтметр и предназначен для измерения входного и выходного напряжения и тока контролируемых ИЭП.
Блоки коммутации (БК) 8 состоят из силовых и слаботочных реле 14 и предназначены для коммутации измерительных сигналов мультиметра 7, а также для подключения и отключения ПИИН 2 и ПН 5 от ИЭП по командам РС 3 посредством УК 6.
Блок соединителей (БС) 9 предназначен для размещения в нем контролируемых ИЭП и их подключения посредством соединителей∗∗∗ (различных разъемов, клемм и т.д.) при климатических испытаниях.
Описание работы устройства в соответствии с функциональными схемами
Устанавливают в корпус составные части устройства, собирают схему комплекса, при этом внутренний электромонтаж производят через разъемы составных частей, а также монтажными жгутами и перемычками (при необходимости).
Вход блока внешнего питания 1 подключают к сети промышленного напряжения 220 В, 50 Гц, а его 1-4 выходы соединяют с входами электропитания∗∗ соответственно ПИИН 2, РС 3, блока внутреннего электропитания 4 и мультиметра 7.
Первый и второй выходы (+5 В и +12 В) блока внутреннего электропитания 4 подключают ко входам электропитания∗∗∗ соответственно УК 6 и БК 8.
Первый управляющий вход-выход РС 3 через интерфейс USB∗∗ подключают ко второму входу-выходу∗∗∗ ПИИН 2, второй вход-выход РС 3 - к первому входу-выходу∗∗∗ УК 6, а третий вход-выход РС 3 - к третьему входу-выходу∗∗∗ мультиметра 7.
Второй вход-выход УК 6 подключают к первому входу-выходу БК 8, а третий вход-выход УК 6 - к второму входу-выходу ПН 5.
К первым выходам БК 8 подключают выходы ПН5, ко вторым входам-выходам БК 8 подключают первый вход-выход мультиметра 7, а третьи входы-выходы БК 8 - к первому входу-выходу БС 9, второй вход-выход которого подключают ко второму входу-выходу мультиметра 7.
Включают в сеть 220 В, 50 Гц блок внешнего питания, от него напряжение питания подается на ПИИН 2, РС 3, блок внутреннего электропитания 4 и мультиметр 7.
После подачи напряжения питания на РС 3 загружается операционная система и запускается программа управления.
Программа управления предварительно запускает процедуру самотестирования устройства. Эта процедура проверяет связи управления с узлами по интерфейсу GRIB∗∗ - мультиметром 7 и ПИИН 2, проверяет наличие связей управления по интерфейсу USB∗∗ с УК 6, ПН 5 и БК 8, проверяет наличие напряжений питания блока внутреннего питания 4 +12 В и +5 В.
Блок внутреннего питания 4 формирует напряжение +5 В и +12 В и обеспечивает электрические режимы работы УК 6 и БК 8.
По командам от РС 3 устанавливается необходимое испытательное напряжение контролируемых ИЭП, при этом контроль установленного напряжения осуществляется мультиметром 7 в режиме измерения напряжения.
УК 6 принимает управляющие команды от РС 3 и управляет ПН 5 и БК 8.
Каждый БК 8 осуществляет следующие функции:
- коммутирует испытательное напряжение ПИИН 2 на вход проверяемого ИЭП;
- коммутирует ПН 5 на выходы проверяемых ИЭП;
- коммутирует мультиметр 7 для измерения входного напряжения проверяемого ИЭП;
- коммутирует мультиметр 7 для измерения выходного напряжения проверяемого ИЭП;
- коммутирует мультиметр 7 для измерения входного тока проверяемого ИЭП;
- коммутирует мультиметр 7 для измерения выходного тока на ПН 5 первого канала∗∗ проверяемого ИЭП;
- коммутирует мультиметр 7 для измерения выходного тока на ПН 5 второго канала∗∗ проверяемого ИЭП;
-5
ПН 5 имитируют нагрузку в широких пределах с дискретом от 0 до 64536 ступеней (16 бит) напряжением до 100 В и мощностью до 50 Вт. Данные от УК 6 поступают в ЦАП 10, где запоминаются во встроенном регистре. На выходе ЦАП 10 формируется напряжение пропорционально установленному значения в регистре от 0 до 5 В, единица младшего разряда соответствует 7,63×10 В, с выхода ЦАП 10 сигнал поступает на ОУ 11, при этом последний уменьшает ошибки преобразования ЦАП 10, увеличивает выходное сопротивление нагрузки ЦАП 10, управляет мощным МОП-транзистором 12 и задает рабочую характеристику его работы. С выхода ОУ 11 сигнал поступает на затвор∗∗∗ МОП-транзистора 12. Режим работы транзистора подобран так, что бы он работал в активном режиме и создавал нагрузку линейно установленному значению в регистр∗∗ ЦАП 10. Выходы МОП-транзистора 12 -исток и сток∗∗∗ подключены через блок коммутации к выходам∗∗∗ проверяемого ИЭП.
Реле 13 осуществляет проверку работы защиты ИЭП от короткого замыкания и управляется УК 6, при этом контакты∗∗∗ реле замыкают и размыкают выходы проверяемого ИЭП.
Таким образом, переключая режимы работы УК 6 изменяя испытательное напряжение на ПИИН 2 (входное напряжение проверяемого ИЭП), получая данные о токе и напряжениях от мультиметра 7 и изменяя нагрузки с помощью ПН 5 по двум независимым каналам нагрузки выходов ИЭП, РС 3 осуществляет контроль параметров ИЭП - тока потребления, выходного напряжения, пульсации выходного напряжения, нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки, электрической прочности изоляции входных и выходных цепей в полном объеме при различных нагрузках. Кроме того, РС 3 производит анализ результатов контроля параметров ИЭП, их индикацию и распечатку, а также обеспечивает хранение протоколов измерений и осуществляет интерфейс с пользователем посредством программного обеспечения.
Программа устройства позволяет производить:
- самодиагностику;
- контроль параметров ИЭП, с возможностью выдачи результатов на печатающее устройство (принтер);
- ввод паспортных данных на контролируемый ИЭП.
Заявляемое устройство предназначено для проведения функционального автоматизированного контроля параметров ИЭП - тока потребления, выходного напряжения, пульсации выходного напряжения, нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки, а также проверку защиты от короткого замыкания.
Технические данные устройства:
- проверка двухканальных ИЭП с любой полярностью;
- максимальное напряжение питания проверяемых источников электропитания 80 В;
- максимальная мощность программируемых нагрузок 50 Вт;
- проверка электрической прочности изоляции напряжением до 1500 В переменным или постоянным током;
- первичное напряжение электропитания 220 В, частота 50 Гц;
- ток, потребляемый устройством по цепи 220 В, 50 Гц не более 2,5 А;
- устройство сохраняет параметры при изменении напряжения источника питания 220 В, 50 Гц в пределах от 198 до 242 В;
- масса устройства (75±7,5) кг;
- назначенный срок службы и хранения устройства 5 лет.
Технический результат от использования полезной модели и совокупность отличительных признаков для его достижения:
- обеспечение возможности контроля параметров нагрузки (ток и напряжение) и входного напряжения контролируемых ИЭП введением мультиметра и БК;
- обеспечение возможности проверки контролируемых ИЭП при различных напряжениях питания введением ПИИН и БК;
- обеспечение возможности контроля параметров ИЭП с двухканальным выходом путем независимого друг от друга подключения ПН, с образованием, по меньшей мере, двух независимых каналов нагрузки выходов контролируемого ИЭП;
- обеспечение возможности прецизионной установки испытательного тока нагрузки путем выполнения ПН в виде ЦАП, ОУ и МОП-транзистора;
- обеспечение возможности проверки защиты от КЗ установкой реле между выводами истока и стока МОП-транзистора в составе ПН, и соединенного через БК с выходами контролируемого ИЭП;
- обеспечение возможности контроля одновременно нескольких различных источников электропитания в камере климатических испытаний путем использования многопозиционного БС, а также ПН и БК для каждого контролируемого ИЭП.
Представленные описание и схемы заявляемого устройства позволяют, применяя существующие материалы и унифицированные покупные комплектующие изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для функционального автоматизированного контроля параметров различных источников электропитания, например для составных частей беспилотного летательного аппарата (БПЛА).