УСТРОЙСТВО СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИБОРА С ЛИНИЕЙ СВЯЗИ
APPARATS FOR CONNECTING ELECTRIC DEVICE WITH COMMUNICATION LINE

Изобретение относится к устройству соединения электрического прибора с линией связи.
Уровень техники
Для сертификации оборудования, предназначенного для установки на борту летательного аппарата, необходимо проверить это оборудование, для чего его помещают в окружающие условия, аналогичные тем, что оно может встречать на борту летательного аппарата. Оборудование проходит через ряд квалификационных тестов, в ходе которых проверяют, чтобы оборудование при воздействии на него этих окружающих условий работало нормально или работало в приемлемом аварийном режиме, или не подвергалось повреждению, или не мешало работе других агрегатов. Как правило, эти тесты включают в себя климатические тесты (температура, влажности и т.д.), механические тесты (вибрации, удары и т.д.), тесты на электромагнитную совместимость, на стойкость к ударам молнии по летательному аппарату и т.д.
Среди тестов на электромагнитную совместимость можно указать так называемые “тесты на радиочастотную чувствительность”, с помощью которых проверяют поведение электрического прибора, когда он подвергается воздействию радиочастот определенного уровня. Эти тесты включают в себя так называемые “тесты на чувствительность поведения”, в ходе которых токи с частотами широкого спектра поступают в провода, соединенные с электрическим прибором.
Для проверки стойкости электрического прибора к ударам молнии предусмотрены тесты, применяемые аналогично тестам на чувствительность поведения, а также тесты с подачей тока непосредственно на уровень соединителей оборудования.
Некоторые электрические приборы, осуществляющие исключительно критические функции, например, такие как электрический прибор, используемый в системе электрических приводов управления полетом, должны не только избегать повреждения этими подаваемыми токами, но и работать нормально в момент подачи тока.
Так, электрический прибор должен сохранять способность нормально передавать и принимать данные через линию дифференциальной цифровой связи, даже когда в линию поступает ток в несколько сот миллиампер с частотами, колеблющимися от 100 кГц до 400МГц. Этот поступающий ток создает, в частности, большие помехи в виде синфазных сигналов, распространяясь по проводникам линии.
Чтобы электрический прибор мог успешно пройти этот тест, на электрическом приборе можно установить устройство соединения с линией связи, содержащее первый трансформатор с двумя обмотками, последовательно соединенными с проводниками линии, затем второй трансформатор типа трансформатора со средней точкой для гальванической изоляции электрического прибора от линии связи. Второй трансформатор может содержать обмотку с двумя классическими соединительными клеммами, а также с дополнительной соединительной клеммой в середине обмотки. Таким образом, помехи в виде синфазного сигнала, появляющиеся при подаче тока, будут фильтроваться трансформаторами и удаляться на механическую массу электрического прибора через эту соединительную клемму.
Использование этих трансформаторов могло бы быть эффективным за исключением случая, когда помеха в виде синфазного сигнала распространяется на частоте, соответствующей резонансной частоте устройства соединения, связанной с индукционной составляющей первого трансформатора и с емкостной составляющей второго трансформатора. При этой резонансной частоте, выражающейся сильным падением сопротивления принимающего устройства и, следовательно, повышением тока в виде синфазного сигнала, существует значительный риск того, что помеха в виде синфазного сигнала может повредить компоненты электрического прибора или прервать связь.
Задача изобретения
Задачей изобретения является создание устройства для соединения электрического прибора с линией дифференциальной связи, которое позволяет избежать повреждения электрического прибора и поддерживать связь на линии, даже если электрический прибор подвергают тесту на удар молнии или на чувствительность поведения, во время которого в линию связи подают ток переменной частоты.
Сущность изобретения
Для достижения этого технического результата предложено устройство соединения электрического прибора с линией связи, содержащей по меньшей мере два проводника для передачи дифференциальных сигналов, при этом устройство соединения содержит по меньшей мере один компонент интерфейса обмена данными, соединенный с линией для передачи и/или приема данных, и средство соединения электрического прибора с линией, при этом устройство соединения дополнительно содержит последовательно расположенные, начиная от средства соединения до компонента интерфейса, по меньшей мере:
- первый трансформатор, выполненный с возможностью фильтрации синфазного сигнала на каждом проводнике линии связи;
второй трансформатор, выполненный с возможностью обеспечения гальванической изоляции таким образом, чтобы изолировать от линии связи, по меньшей мере, компонент интерфейса;
- третий трансформатор, параллельно соединенный со вторым трансформатором и содержащий две обмотки, оснащенные клеммами, среди которых клеммы, не соединенные со вторым трансформатором, соединены с механической массой электрического прибора;
- четвертый трансформатор, выполненный с возможностью обеспечения гальванической изоляции таким образом, чтобы изолировать от механической массы, по меньшей мере, компонент интерфейса.
Когда в линию связи поступает ток, создающий помеху в виде синфазного сигнала с частотой, равной резонансной частоте, связанной с индукционной составляющей первого трансформатора и с емкостной составляющей второго трансформатора, третий трансформатор, которой имеет нулевое сопротивление в режиме синфазного сигнала, удаляет помеху на механическую массу электрического прибора, независимо от ее частоты. Таким образом, помеха в виде синфазного сигнала, распространяющаяся на резонансной частоте устройства, не может привести к повреждению компонентов электрического прибора или помешать обмену данными через линию связи.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания варианта выполнения, представленного в качестве не ограничительного примера.
Краткое описание чертежей
Описание изобретения представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1-4 - электрические схемы устройства соединения в соответствии с изобретением согласно четырем разным вариантам выполнения;
фиг. 5 - устройство соединения в соответствии с изобретением, в котором обмотки трансформаторов выполнены в виде дорожек печатной схемы;
фиг. 6 - обмотки трансформаторов устройства соединения в соответствии с изобретением, интегрированные в один отдельный компонент.
Осуществление изобретения
Показанное на фиг. 1 заявленное устройство 1, 2 соединения согласно первому варианту выполнения интегрировано в первый электрический прибор 3, предназначенный для передачи данных через линию 4 дифференциальной цифровой связи, и во второй электрический прибор 5, предназначенный для приема этих данных. Таким образом, в данном случае передача данных происходит посредством симплексной связи, то есть в одном направлении между первым электрическим прибором 3, который передает данные, и вторым электрическим прибором 5, который их принимает.
Кроме устройства соединения в соответствии с изобретением каждый из электрических приборов 3, 5 содержит контрольный модуль 6, 7, например, микроконтроллер или программируемую пользователем вентильную матрицу FPGA, одной из функций которого является - в случае первого электрического прибора 3 - генерирование данных, которые должен передавать первый электрический прибор 3, и в случае второго электрического прибора 5 - обработка данных, принимаемых вторым электрическим прибором 5, то есть, например, их интерпретация, их сохранение или их ретрансляция. В первом электрическом приборе и во втором электрическом приборе данные соответственно генерируются и принимаются контрольными модулями 6, 7 через устройства 1, 2 соединения в соответствии с изобретением.
Устройства 1, 2 соединения первого электрического прибора 3 и второго электрического прибора 5 содержат, каждое:
- компонент 8, 12 интерфейса обмена данными;
- четыре трансформатора ТА, ТВ, ТС, TD и ТЕ, TF, TG, ТН;
- соединитель 9, 13.
Под компонентом интерфейса обмена данными следует понимать компонент, который может быть либо передатчиком, либо приемником, либо приемо-передатчиком. В дальнейшем тексте этого описания передающий компонент интерфейса будет рассматриваться отдельно от принимающего компонента интерфейса. Разумеется, это не мешает передающему компоненту интерфейса также принимать данные, а принимающему компоненту интерфейса - передавать эти данные.
В данном случае компонент 8 интерфейса обмена данными является передающим компонентом интерфейса, а компонент 12 интерфейса обмена данными является принимающим компонентом интерфейса.
Передающий 8 и принимающий 12 компоненты интерфейса оснащены не показанными согласующими резисторами для адаптации сопротивления с целью оптимизации передачи и приема данных через линию 4 связи.
Таким образом, устройства 1, 2 соединения первого электрического прибора и второго электрического прибора являются идентичными за исключением того, что, в отличие от первого электрического прибора, компонент 12 интерфейса второго электрического прибора 5 предназначен для приема данных, а не для их передачи. Поэтому будет представлено только описание конструкции и преимуществ устройства 1 соединения первого электрического прибора 3, поскольку они являются эквивалентными для второго электрического прибора 5.
Передающий компонент 8 интерфейса устройства 1 соединения первого электрического прибора 3 выполнен с возможностью приема данных из контрольного модуля 6 и их преобразования в соответствии со стандартом Ethernet. Затем эти данные передаются через трансформаторы ТА, ТВ, ТС, TD и соединитель 9 в виде дифференциального сигнала в линию связи 4, содержащую два проводника 14, 15.
Каждый из четырех трансформаторов ТА, ТВ, ТС, TD устройства 1 соединения образован двумя обмотками, оснащенными двумя равнозначными клеммами, из которых одна клемма идентифицирована точкой для уточнения начала каждой из обмоток и, следовательно, направления токов, циркулирующих в каждой обмотке.
Трансформатор ТА выполнен таким образом, чтобы каждая из его обмоток имела одну клемму, соединенную с соединителем 9, и была последовательно соединена с проводником 14, 15 линии связи 4 и чтобы токи, циркулирующие в каждой обмотке, проходили в одном направлении. Таким образом, трансформатор ТА имеет индукционную составляющую, которая образует средство фильтрации, позволяющее фильтровать помехи в виде синфазного сигнала на высоких частотах.
Трансформатор ТВ выполнен таким образом, чтобы две клеммы одной обмотки трансформатора ТВ были соединены, каждая, с клеммой трансформатора ТА, не соединенной с соединителем 9. Трансформатор ТВ позволяет гальванически изолировать от линии связи 4 электрические компоненты, находящиеся за пределами трансформатора ТВ, в том числе передающий компонент 8 интерфейса. Токи, циркулирующие в каждой обмотке трансформатора ТВ, проходят в одном направлении. Таким образом, трансформатор ТВ имеет емкостную составляющую, которая образует средство фильтрации, позволяющее только ограничивать помехи в виде синфазного сигнала на низких частотах.
Трансформатор ТС установлен параллельно с трансформатором ТВ и соединен с механической массой 16 электрического прибора 3 через свои две клеммы, не соединенные с клеммами трансформатора ТВ. Токи, циркулирующие в каждой обмотке трансформатора ТС, проходят в разных направлениях.
Когда помеха в виде синфазного сигнала с резонансной частотой, соответствующей резонансной частоте, связанной с индукционной составляющей трансформатора ТА и с емкостной составляющей трансформатора ТВ, распространяется по проводникам 14, 15 линии связи 4, ее удаляют на механическую массу 16 через трансформатор ТС без повреждения электрического компонента электрического прибора 3.
Необходимо отметить, что трансформатор ТС имеет очень большое сопротивление в режиме дифференциального сигнала и, следовательно, не снижает качества данных, передаваемых передающим компонентом интерфейса в направлении второго электрического прибора.
Наконец, трансформатор TD выполнен таким образом, чтобы две клеммы одной обмотки трансформатора TD были соединены, каждая, с клеммой обмотки трансформатора ТВ, не соединенной с трансформатором ТА, и чтобы две клеммы другой обмотки трансформатора TD были соединены с передающим компонентом 8 интерфейса. Трансформатор TD позволяет гальванически изолировать от механической массы электрические компоненты, находящиеся за пределами трансформатора TD, в том числе передающий компонент 8 интерфейса. Токи, циркулирующие в каждой обмотке трансформатора TD, проходят в одном направлении.
Таким образом, описанное выше заявленное устройство соединения обеспечивает эффективную фильтрацию на низких и высоких частотах, не ухудшая качества передаваемых данных, и позволяет устранять помехи в виде синфазного сигнала, имеющие частоту, соответствующую резонансной частоте, связанной с емкостными и индуктивными составляющими устройства.
Показанное на фиг. 2 заявленное устройство 101 соединения согласно второму варианту выполнения может быть интегрировано в первый электрический прибор 103, предназначенный для передачи данных и для приема данных через линию 104 дифференциальной цифровой связи, причем эти данные предназначены для обмена со вторым электрическим прибором (на фиг. 2 не показан), который тоже содержит заявленное устройство соединения. В данном случае обмен данными происходит при помощи полудуплексной связи, то есть они проходят в одном направлении или в другом направлении между первым электрическим прибором 103 и вторым электрическим прибором, но не одновременно в двух направлениях.
Разумеется, первый электрический прибор содержит контрольный модуль 106, выполненный с возможностью осуществления функций, выполняемых описанными выше модулями контроля передачи и приема (генерирование, прием, обработка данных).
В данном случае заявленное устройство 101 соединения первого электрического прибора 103 содержит передающий компонент 108 интерфейса и принимающий компонент 112 интерфейса, предназначенные для передачи и приема данных, а также четыре трансформатора T′A, Т′В, Т′С, T′D и соединитель 109. Компоненты интерфейса оборудованы согласующими резисторами для адаптации сопротивления.
Передающий компонент 108 интерфейса содержит два выхода S1, S2, соединенные с двумя входами E1, Е2 принимающего компонента 112 интерфейса, позволяющие первому электрическому прибору поочередно передавать и принимать данные через линию связи 104.
Четыре трансформатора T′A, Т′В, Т′С, T′D содержат, каждый, две обмотки, оснащенные двумя клеммами. Трансформаторы имеют функции, аналогичные функциям, описанным в первом варианте выполнения, и токи, циркулирующие в каждой обмотке, проходят в направлениях, аналогичных с первым вариантом выполнения. Однако в данном случае трансформаторы Т′С и T′D образованы, каждый, двумя обмотками из трех обмоток трансформаторного устройства TF1, в данном случае трансформатора с тремя обмотками.
Трансформаторы T′A и Т′В выполнены аналогично трансформаторам ТА и ТВ, показанным на фиг. 1. Каждая обмотка трансформатора Т′С имеет клемму, соединенную с клеммой трансформатора Т′В, не соединенной с трансформатором T′A. Клеммы трансформатора Т′С, не соединенные с трансформатором Т′В, соединены с механической массой 116 первого электрического прибора 103. Обмотка 120 трансформатора T′D является общей с обмоткой трансформатора Т′С. Клеммы другой обмотки трансформатора T′D соединены с выходами S1, S2 передающего компонента 108 интерфейса и с входами E1, Е2 принимающего компонента 112 интерфейса.
Трансформатор TF1 с тремя обмотками содержит, таким образом, обмотку 120, используемую двумя трансформаторами Т′С, T′D, что, с одной стороны, позволяет упростить устройство и, с другой стороны, позволяет уменьшить потери энергии преобразования (джоулевы потери, потери холостого хода и т.д.). Это сокращение потерь повышает качество данных, передаваемых через трансформаторы, и улучшает удаление помех в виде синфазного сигнала на механическую массу 116 электрического прибора 103.
Показанное на фиг. 3 заявленное устройство 201 соединения согласно третьему варианту выполнения тоже встроено в первый электрический прибор 203 для обмена данными в режиме полудуплексной связи. Заявленное устройство 201 соединения тоже содержит передающий компонент 208 интерфейса и принимающий компонент 212 интерфейса, четыре трансформатора Т′′А, Т′′В, Т′′С, T′′D и соединитель 209. Трансформаторы Τ′′А, Т′′В, Т′′С, T′′D имеют функции, аналогичные функциям, описанным в первом варианте выполнения. Они содержат обмотки, в которых токи циркулируют в направлениях, аналогичных с двумя первыми вариантами выполнения. Третий вариант выполнения похож на второй вариант выполнения за исключением того, что в данном случае устройство соединения оснащено трансформаторным устройством TF2 с четырьмя обмотками, при этом дополнительная обмотка 221 соединена параллельно с обмоткой трансформатора T′′D, клеммы которой соединены с передающим компонентом 208 интерфейса и с принимающим компонентом 212 интерфейса. Трансформатор TF2 с четырьмя обмотками легче поддается симметрированию, чем трансформатор TF1 с тремя обмотками, то есть легче определить размерность трансформатора, обеспечивающую симметричную циркуляцию тока через этот трансформатор.
Показанное на фиг. 4 заявленное устройство 301 соединения согласно четвертому варианту выполнения тоже встроено в первый электрический прибор 303 для обмена данными в режиме полудуплексной связи. Заявленное устройство 301 соединения тоже содержит передающий компонент 308 интерфейса и принимающий компонент 312 интерфейс, четыре трансформатора Т′′′А, Т′′′В, Т′′′С, T′′′D и соединитель 309.
В данном случае трансформаторы Т′′′С и T′′′D образованы, каждый, двумя обмотками из числа трех обмоток трансформаторного устройства TF3, в данном случае трансформатора с тремя обмотками.
Трансформатор Т′′′А выполнен аналогично трансформатору ТА, показанному на фиг. 1. Трансформатор Т′′′В выполнен таким образом, чтобы две клеммы одной обмотки трансформатора Т′′′В были соединены, каждая, с клеммой трансформатора Т′′′А, не соединенной с соединителем 309. Обмотка 320 трансформатора Т′′′В, не соединенная с трансформатором Т′′′А, является общей для трансформаторов Т′′′В и T′′′D. Другая обмотка трансформатора T′′′D соединена с передающим 208 и принимающим 312 компонентами интерфейса. Каждая обмотка трансформатора Т′′′С имеет клемму, соединенную с обмоткой 320. Клеммы трансформатора Т′′′С, не соединенные с обмоткой 320, соединены с механической массой 316 первого электрического прибора 303.
Таким образом, обмотку 320 используют два трансформатора Т′′′В и T′′′D. Это тоже позволяет упростить устройство, сократить потери, облегчить симметрирование, а также устранить емкостную связь, существующую в предыдущих вариантах выполнения между трансформатором ТС или Т′С или Т′′С и механической массой электрического прибора.
Для изготовления устройства соединения в соответствии с изобретением выполняют обмотки трансформаторов, используя обмотки в виде дорожек печатных схем. Предпочтительно, как видно на фиг. 5, где показаны слои лака 421, меди 422 и изоляции 423 печатной схемы 404 электрического прибора 403, обмотки в виде дорожек 424 трансформаторов заявленного устройства 401 распределены на внутренних слоях меди печатной схемы 404, и передающий 408 и принимающий 412 компоненты интерфейса смонтированы на поверхностном слое меди. Таким образом, трансформаторы не требуют наличия магнитного сердечника и, следовательно, не подвержены риску насыщения магнитным потоком, который мог бы быть слишком большим для сердечника. Кроме того, такая конструкция позволяет реализовать устройство соединения на небольшой площади печатной платы, обеспечивать достаточную промышленную воспроизводимость и т.д.
Как показано на фиг. 6, можно интегрировать обмотки в виде дорожек 524 трансформаторов, выполняемые на слоях меди 522 печатной схемы 504, непосредственно в отдельный компонент 530, например, в блок BGA (от "Ball Grid Array", что часто переводится как «массив шариков»).
Изобретение не ограничивается описанными частными вариантами выполнения и, наоборот, охватывает любую версию, не выходящую за рамки изобретения, определенные формулой изобретения.
Хотя устройство соединения согласно первому варианту выполнения было использовано в первом и втором электрических приборах, сообщающихся через симплексную связь, это устройство можно использовать в полудуплексной связи. В этом случае каждый электрический прибор будет оборудован передающим компонентом интерфейса обмена данными и принимающим компонентом интерфейса обмена данными, которые будут соединены между собой аналогично устройствам из других вариантов выполнения и будут соединены с единственным трансформаторным блоком, либо будут соединены, каждый, с трансформаторным блоком. Точно так же, можно использовать устройства соединения согласно другим вариантам выполнения в симплексной связи. В этом случае каждый электрический прибор будет содержать только один компонент интерфейса типа передающего или принимающего.