Блок конденсаторов и способ контроля его исправности (2 варианта)
BLOCK OF CONDENSERS AND METHOD OF CONTROLLING ITS FIXTURE (2 VERSIONS)

Предложение относится к области электротехники и электроники и в частности - к электротехническим приборам и системам, в которых конденсаторы используются, например, в качестве элементов фильтра подавления переменной составляющей и помех, в качестве накопителей электроэнергии и в иных подобных устройствах.
При необходимости увеличения суммарной емкости создают блоки конденсаторов, соединяя конденсаторы последовательно и параллельно, используя при этом и высокочастотные конденсаторы и низкочастотные, например электролитические, в зависимости от конкретных требований к аппаратуре.
Основные недостатки таких блоков конденсаторов с большой суммарной емкостью - пониженная надежность, большие масса и габариты. При этом любой конденсатор может выйти из строя по типу «обрыв», «короткое замыкание», «увеличение тока утечки», «уменьшение емкости». В случае обрыва или уменьшения емкости суммарная емкость такого блока конденсаторов уменьшится, но работоспособность резервированная аппаратура сохраняет. В случае увеличения тока утечки работоспособность аппаратуры также сохраняется. А при коротком замыкании в цепи конденсатора напряжение на шинах питания пропадет, и аппаратура перестанет работать. При этом может выйти из строя и источник питания [Справочник по радиоэлектронике, том 2. Под общей редакцией проф., ДТН А.А. Куликовского. Издательство «Энергия», Москва, 1968 г., стр. 321, рис. 17.3]. Такой дефект конденсатора недопустим в любой аппаратуре, особенно  недоступной для ремонта.
Если система или прибор должны обладать высокой надежностью, то конденсаторы резервируют на любой отказ, используя для резервирования конденсаторы необходимой емкости, соединяют их в последовательные цепочки и подключают последовательные цепочки к шинам питания параллельно [Надежность автоматизированных систем управления. Учебное пособие. Под ред. Хетагурова, Москва Я.А., «Высшая школа», 1979 г., стр. 83, рис. 4.2 и рис. 4.3]. При четырех резервирующих конденсаторах емкость такого блока конденсаторов становится равной емкости всего одного конденсатора. Это очень неэкономично при резервировании одного конденсатора. Кроме того, такой «резервированный» конденсатор резервирован только на один отказ, поскольку, при втором отказе, в зависимости от типа отказа, аппаратура может оказаться неработоспособной. На два отказа рассчитано устройство, резервированное по классическому принципу «два из трех» и приведенное в [Надежность систем управления. Издательство «Наукова думка», 1975, стр. 21, рис. 3д]. Оно тоже состоит из последовательных цепочек, соединенных параллельно.
В ответственной аппаратуре все резервирующие конденсаторы в последовательных цепочках для обеспечения заданного режима по постоянному напряжению дополнительно шунтируют с помощью регулируемых схем с транзисторами [Заявка №2013103447/07, МПК: H02J 7/02; опубл. 10.08.2014. Конвенционный приоритет: 28.06.2010 FR 1055134], а в простейшем случае - высокоомными «выравнивающими» резисторами с одинаковыми сопротивлениями [Mosaic GNSS Reseiver. Updated: 5-Mar-10. Page 40, Figure 9-11: Schematic of Primary Power Connector (прототип)]. И то и другое в любом случае усложняет аппаратуру в целом.
При этом любой из «выравнивающих» резисторов и сам может дать обрыв, что обязательно приведет к увеличению вдвое напряжения на конденсаторе, к которому этот резистор подключен параллельно, а это снижает надежность работы такого конденсатора, и он может пробиться. После пробоя этого конденсатора на втором конденсаторе этой же цепочки напряжение возрастет вдвое и второй конденсатор, включенный с первым последовательно, тоже может пробиться. А это сразу приведет к отказу аппаратуры, чего допускать нельзя.
И еще через «выравнивающие» резисторы протекает ток. Небольшой, но непрерывно, что, например, в накопительных системах нежелательно, поскольку при этом конденсаторы разряжаются и требуют периодической или постоянной подзарядки.
Более того, в любом резервированном блоке конденсаторов может произойти отказ любого резервирующего конденсатора, который не скажется на работоспособности резервированной аппаратуры. Для того она и резервируется. В случае такого отказа работоспособная аппаратура с завода-изготовителя выйдет уже с дефектом и первый же дефект в блоке конденсаторов во время эксплуатации может привести к отказу аппаратуры в целом. А этого допускать нельзя, особенно в ответственной аппаратуре, недоступной для проверки работоспособности и для ремонта, например, предназначенной для использования в космосе.
Упомянутое устройство [MosaicGNSS Reseiver. Updated: 5-Mar-10. Page 40, Figure 9-11: Schematic of Primary Power Connector] может быть использовано в качестве прототипа, поскольку оно наиболее близко по комплекту элементов, по исполнению, и его основная задача - обеспечение функционирования резервированной аппаратуры на случай выхода из строя одного из резервирующих конденсаторов.
Недостатками прототипа являются защита только от одного отказа и невозможность проверки исправности резервирующих конденсаторов, тем более - при включенной аппаратуре.
Предлагаемый блок конденсаторов содержит конденсаторы, подключенные к шинам питания, и высокоомные резисторы, что максимально приближено по устройству к схеме прототипа.
Задачей данного изобретения является создание надежного блока конденсаторов при одновременном увеличении его эквивалентной (суммарной) емкости.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение надежности блока конденсаторов при одновременном увеличении его суммарной емкости.
Технический результат изобретения достигается тем, что блок конденсаторов содержит конденсаторы, подключенные первыми выводами к шинам питания, и высокоомные резисторы, маломощные низкоомные резисторы, подключенные первыми выводами ко второму выводу каждого из конденсаторов и соединенные своими вторыми выводами с общей шиной питания, при этом первые выводы высокоомных резисторов подключены ко вторым выводам конденсаторов, а вторые выводы высокоомных резисторов образуют контрольную шину блока конденсаторов.
Высокоомные резисторы имеют разные номиналы сопротивления.
Кроме того, высокоомные резисторы, подключенные первыми выводами ко вторым выводам конденсаторов, первые выводы которых подключены к шинам питания с разной полярностью напряжения или с разными фазами переменного напряжения, имеют одинаковые номиналы сопротивления.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, представленными схемами электрическими принципиальными (фиг. 1-3).
На фиг. 1-3 введены следующие обозначения: 1-8,
32 - конденсаторы;
9-16, 33 - маломощные низкоомные резисторы (МНР);
17-24, 34 - высокоомные резисторы (BP);
25 - общая шина «0» источников питания;
26, 29 - шины питания «+U» и «-U» (на фиг. 1 источник питания однополярный: шина питания «+U»; на фиг. 2 - источник питания двухполярный: шины питания «+U» и «-U»;
27, 28, 31 - контрольные шины блоков конденсаторов, состоящие из объединенных или, при необходимости, отдельных контрольных цепей, например, Контр. 1, Контр. 2 и т.п.;
30, 35, 36 - шины питания «А», «В» и «С» (на фиг. 3 - трехфазный источник питания переменного напряжения: шины питания «А», «В» и «С»);
Контрольные шины 27 и 28 на схемах фиг. 1 и фиг. 2 и контрольные шины 27, 28 и 31 конкретных блоков конденсаторов на схеме фиг. 3 могут быть объединены (на фиг. 1-3 показано пунктиром).
Выполнены предложенные устройства, изображенные на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, следующим образом.
Конденсаторы 1-8 на фиг. 1 и фиг. 2 и конденсатор 32 на фиг. 3 соединены каждый последовательно с одним из МНР 9 - 16 и 33 и каждая такая последовательная цепочка включена между соответствующими шинами питания 26, 29, 30, 35, 36 («+U», «-U», «А», «В», «С») и общей шиной 25 «0», при этом МНР 9-16 и 33 вторыми выводами (нижними по схеме) подключены к общей шине питания «0». Часть конденсаторов, в зависимости от конкретных требований к системе, высокочастотные (неполярные), часть - электролитические (полярные, низкочастотные). Все полярные (электролитические) конденсаторы на фиг. 1 и фиг. 2 подключены к шинам питания с соблюдением полярности. В блоке конденсаторов на фиг. 3 в цепях питания переменного напряжения полярных конденсаторов нет и быть не должно.
BP 17-24 и 34 первыми выводами (нижними по схеме на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3) соединены со вторыми выводами конденсаторов 1-8 и 32 соответственно и с первыми выводами МНР 9-16 и 33. Вторые выводы BP конденсаторов 17-24 и 34 образуют контрольные шины, выводы которых обозначены 27, 28 (на фиг. 1 и фиг. 2) и 27, 28, 31 (на фиг. 3), и отдельные контрольные цепи типа Контр. 1, Контр. 2 и др. для контроля конденсаторов, подлежащих в особых случаях индивидуальному контролю, как это показано на фиг. 1. Для упрощения блоков конденсаторов, упрощения конструкции аппаратуры и упрощения процесса контроля исправности конденсаторов целесообразно все контрольные цепи подключать к соответствующим контрольным шинам (см. ниже). МНР подключены последовательно к BP.
На фиг. 1 приведен вариант подключения блока конденсаторов между шиной питания «+U» однополярного источника напряжения и общей шина питания «0». Фактически на фиг. 1 приведены два одинаковых по схеме блока конденсаторов (или - сдвоенный блок конденсаторов, или - единый блок конденсаторов; терминология непринципиальна и равнозначно применима здесь и далее к любому из рассматриваемых блоков конденсаторов раздельно или при их объединении). Реально в каждом блоке конденсаторов могут быть применены конденсаторы одного или разных типов, разных номиналов, количество конденсаторов также могут быть разным в зависимости от электротехнических требований к параметрам цепей питания, сроку службы (надежности) реальной аппаратуры, для которой разрабатывается каждый конкретный блок конденсаторов и требуемой конструкции блока конденсаторов применительно к конкретной аппаратуре.
Если сдвоенный блок конденсаторов на фиг. 1 представить как два самостоятельных блока конденсаторов, объединенных общей шиной питания 25 «0», то между этими двумя блоками конденсаторов (1-4) и (5-8) в разрыв шины питания 26 «+U» между конденсаторами 4 и 5 в аппаратуре может быть штатно включен дроссель (на схеме фиг. 1 дроссель не показан). Получится классический Т-образный фильтр с двумя блоками конденсаторов.
При этом контрольные шины и контрольные цепи, если они используются в конкретном блоке конденсаторов (верхние по схемам фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, выводы BP) в составе аппаратуры, должны быть доступны без вскрытия приборов и выведены, например, в составе одного из соединителей аппаратуры, занимая в нем минимальное количество контактов.
На фиг. 2 приведен вариант подключения сдвоенного блока конденсаторов к разным шинам «+U» «-U» двухполярного источника питания с общей шиной питания «0».
Отличаются блоки конденсаторов фиг. 1 и фиг. 2 только распайкой полярных (электролитических) конденсаторов, обусловленной необходимостью соблюдения полярности их подключения к шинам питания. Это общее требование, оно должно выполняться в любой электротехнической аппаратуре и не может относиться к отличительным признакам.
На фиг. 3 приведено применение блока конденсаторов для подавления высокочастотных помех в сети переменного напряжения, в частности в цепях трехфазного источника питания (строенный блок конденсаторов или три блока конденсаторов, соединенные с общей шиной питания 25 «0» по типу «звезда»). Так же как на фиг. 1 и на фиг. 2, контрольные шины 27, 28 и 31 строенного блока конденсаторов могут быть объединены в единую контрольную шину (27+28+31), как показано на фиг. 3 пунктиром.
Проектирование блока конденсаторов и расчет параметров элементов целиком зависят только от технического задания на конкретный блок конденсаторов. Расчет емкостей и сопротивлений последовательных RC цепочек определяется диапазоном частот, уровнем помех источников помех и допустимым уровнем помех для защищаемой аппаратуры. При этом постоянные времени RC цепочек могут быть существенно разными в зависимости от электротехнических требований к аппаратуре и блоку конденсаторов, предназначенного для установки в эту аппаратуру.
При проектировании блока конденсаторов обязательно должны приниматься во внимание режимы МНР: максимальная импульсная мощность и длительность импульса тока в момент подачи напряжения питания на блок конденсаторов не должны превышать предельно допустимых значений, указанных в технических условиях на примененные МНР. В случае пробоя любого конденсатора МНР, соединенный последовательно с этим конденсатором, окажется под многократной и продолжительной перегрузкой и обязательно разрушится. При этом отключит дефектный конденсатор от общей цепи питания.
В обоснованных случаях предложенный блок конденсаторов может содержать уменьшенное количество резервирующих конденсаторов по сравнению с прототипом - например, три конденсатора, как в схеме на фиг. 3, вместо четырех (или, даже, два конденсатора при резервировании на один отказ). А может иметь большее количество конденсаторов меньшей емкости, зато меньших габаритов. При этом конструктивно такой блок конденсаторов может быть более компактным.
Предложенное построение блоков конденсаторов обладает дополнительно положительным свойством: его можно использовать в сложных системах электропитания, содержащих 3-4 и более приборов, размещенных друг от друга на расстоянии, но используемых в пределах единых цепей питания - в системе, отсеке, офисе и т.п. В каждом приборе такой системы могут использоваться свои блоки конденсаторов - фильтры, содержащие конденсаторы, МНР и BP, принадлежащие единой системе электропитания. Объединяют эти участки шины питания, общая шина питания 25 «0» и общая контрольная шина, проходящая по всем приборам. При этом в приборах системы BP блоков конденсаторов должны отличаться между собой по сопротивлению, как это описано выше. При отсутствии отказов типа короткого замыкания в конденсаторах напряжение на общей контрольной шине (или на ее контрольных цепях) относительно шины питания «0» отсутствует. Появление на контрольной шине напряжения относительно общей шины питания 25 «0» подскажет о возникновении отказа типа короткое замыкание конденсатора в составе элементов любого блока конденсаторов системы электропитания.
Если сравнивать предложенный блок конденсаторов с прототипом, то видно, что при одинаковом количестве конденсаторов (по 4 конденсатора) предложенное устройство имеет общую емкость блока конденсаторов в 4 раза больше, чем у прототипа, и остается работоспособным при трех любых отказах конденсаторов с остаточной емкостью, равной емкости бездефектного прототипа, в то время как второй пробой конденсатора в последовательной цепочке или второй обрыв конденсатора в параллельной цепочке прототипа сделают его полностью неработоспособным.
Кроме того, BP, шунтирующие конденсаторы в прототипе постоянно находятся под напряжением и представляют определенную опасность: при обрыве такого резистора гипотетически возможен поочередный пробой двух конденсаторов последовательной цепи и выход прибора из строя, как это изложено выше.
Технический результат предложенного изобретения при его использовании возникает еще и за счет того, что МНР, включенные последовательно с конденсаторами, вносят потери, подавляют резонансные свойства фильтра вместе с реактивными составляющими элементов аппаратуры, подключенной к защищаемым от помех шинам питания. За счет этих правильно рассчитанных МНР в составе RC цепочек импульсные токи источника помех не смогут возбуждать резонансных колебаний в защищаемых шинах питания. Кроме того, низкоомные резисторы уменьшают ток заряда этих конденсаторов при подаче на них напряжения питания, что, в свою очередь, снижает помехи в момент включения аппаратуры, и, в щадящем токовом режиме, положительно сказывается на сохранении ресурса работы этих конденсаторов.
Предлагаемая совокупность признаков в предложенном устройстве для решения поставленной задачи не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Данное устройство может быть выполнено в виде самостоятельного блока конденсаторов, многократно, либо по частям введено в состав приборов электротехнической системы, имеющей общий источник электропитания, с отличиями в сопротивлениях BP в соответствии с описанием.
В настоящее время предложенное устройство находится на стадии моделирования и отработки и планируется к использованию в составе электротехнических систем управления перспективных изделий в составе фильтров для снижения помех.