CC BY
49гий изготовления миниатюрных оптико-электронных мультисенсорных устройств.
Библиографические ссылки
1. Коловский Ю. В., Сухарев Е. Н. Метод определения натяжения сетеполотна антенн на основе распознавания образов // Вестник СибГАУ. 2006. Вып. 1(8). С. 96-101.
2. Коловский Ю. В., Левицкий А. А., Маринушкин П. С. Компьютерное моделирование компонентов МЭМС // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008 : сб. науч. трудов Всерос. науч.-техн. конф. / под общ. ред. акад. А. Л. Стемпковского. М. : ИППМ РАН, 2008.
3. Функциональная диагностика и управление крупногабаритными конструкциями и оболочками // ОТЧЕТ итоговый (2006-2008) по проекту РФФИ 06-08-01343-а Руководитель Ю. В. Коловский. 2009. 126 с., иКЬ: http://193.233.79.247/forms/2009/print_all.asp.
4. Коловский, Ю. В. Метрология, стандартизация и технические измерения : учебн. для вузов (Гриф МОН). Красноярск : ИПК СФУ, 2010. 462 с.
5. Коловский Ю. В., Моренко П. А. Полевой ней-ропроцессор // Современные проблемы радиоэлек-
троники : сб. науч. тр. Красноярск : ИПК СФУ, 2013. С. 415-420.
References
1. Kolovskiy Y. V., Suharev E. N. Metod of tension definition aerials on the basis of pattern recognition // Vestnik SibGAU. Vyp. 1(8), 2006. pp. 96-101.
2. Kolovskiy Y. V., Levitsky A. А, Marinushkin P. S. Computer modelling of components MEMS // Konf. «Problems of working out perspective micro-and nanoielectronics systems - 2008» Moskow: IPPM the Russian Academy of Sciences, 2008.
3. Functional diagnostics and management of large-sized designs and covers//the REPORT total (2006-2008) under the Russian Federal Property Fund project 06-08-01343-а the Head. Kolovskiy Y. V.,, 2009. 126 p., <http://193.233.79.247/forms/2009/print_all.asp>
4. Kolovskiy Y. V., Metrologija, standardization and technical measurements. Krasnoyarsk : SFU, 2010. 462 p.
5. Kolovskiy Y. V., Morenko P. A. The field processor //Modern problems of radio electronics: Krasnoyarsk : SFU, 2013, pp. 415-420.
© Коловский Ю. В., 2013
УДК 629.78:621.311
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. В. Костин
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет) Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34. E-mail: Electrodynamics27@yandex.ru
Предлагаются математические модели источников электростатических разрядов. Модели необходимы для теоретической оценки устойчивости бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) к факторам электростатического разряда.
Ключевые слова: математическая модель, электростатический разряд, бортовая аппаратура, космический аппарат.
MATHEMATICAL MODELS OF SOURCES OF ELECTROSTATIC DISCHARGES ONBOARD OF THE SPACECRAFT
A. V. Kostin
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University) 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russia. E-mail: Electrodynamics27@yandex.ru
The mathematical models of sources of electrostatic discharges are proposed. Theoretical models need to evaluate stability of spacecraft onboard equipment to the electrostatic discharge factors.
Keywords: mathematical model, electrostatic discharge, airborne equipment, spacecraft.
В последнее время наблюдается бурное развитие диоэлектронной аппаратуры - все это на фоне умень-электроники. Увеличиваются надёжность, срок служ- шения габаритов и массы. Указанные общие тенден-бы, расширяются функциональные возможности ра- ции не обходят стороной и бортовую аппаратуру кос-
Решетневскуе чтения. 2013
мических аппаратов. К сожалению, такая аппаратура не всегда стойка к импульсным электромагнитным помехам, таким как электростатический разряд (ЭСР). Они возникают из-за электризации различных элементов конструкции КА [1]. Таким образом, просто необходимо, чтобы аппаратура КА была устойчива к факторам ЭСР. Но в современном космическом приборостроении и этого недостаточно. БА КА должна быть оптимальной, так как излишние меры по защите могут привести к увеличению её габаритов и массы, что неприемлемо [2].
В настоящее время для определения необходимости и достаточности принятых мер по защите БА КА от факторов ЭСР на этапе ее проектирования применяется теоретическая оценка. Адекватность результатов оценки сильно зависит от точности математического описания источника ЭСР и расположения источника относительно БА.
Возможно несколько вариантов воздействия ЭСР на БА КА:
- разряд непосредственно в корпус БА;
- разряд непосредственно в кабельную сеть и передача помехи на вход БА;
- разряд между близлежащими элементами конструкции КА.
При оценке воздействия электромагнитного поля (ЭМП), вызванного ЭСР, последнее представляется в виде элементарного электрического излучателя.
Амплитуды составляющих поля вибратора прямо пропорциональны его длине (длине дуги) [3]. Место возникновения ЭСР трудно прогнозировать, а следовательно, трудно определить длину дуги. Тогда необходимо рассматривать худший вариант. Худший вариант будет при максимальной длине дуги. Из физики разряда известно, что существует максимальное расстояние между двумя точками, при котором возможен разряд при определённом напряжении между ними. Для газовой среды эту величину можно определить по закону Пашена [4]. Отсеки современных КА чаще всего делаются негерметичными. В процессе орбитального полёта в таких отсеках будет вакуум. В вакууме закон Пашена не действует, но аналогичные кривые имеются и для вакуума [5].
Что касается места возникновения разряда, то ситуация здесь аналогична. Корпуса БА, как правило, изготавливаются из электропроводящего материала и представляют собой электромагнитные экраны. В этих экранах есть неоднородности в виде отверстий и щелей. Худший вариант будет при разряде вблизи неоднородностей.
При математическом описании источника ЭСР необходимо помнить, что на борту КА некоторые элементы конструкции могут выступать как рефлекторы и формировать диаграмму направленности. В таком случае поля в направлении БА могут усиливаться в несколько раз.
Разряд между близлежащими элементами конструкции КА может сопровождаться растеканием токов по конструкции КА. Если даже токи не затекают на корпус БА, они создают электромагнитное поле. Это поле воздействует на БА, вызывая также сбои. Для определения поля этих токов в первую очередь необ-
ходимо определить сами токи. Для этого необходимо разбить поверхность элемента конструкции на прямоугольники. Каждый прямоугольник нужно представить в виде эквивалентной схемы (эквивалентного комплексного электрического сопротивления). Эквивалентные комплексные сопротивления соединяются между собой, образуя эквивалентную схему поверхности. Последняя рассчитывается методом теории цепей. Результатом расчёта являются искомые токи. Далее прямоугольники с найденными токами представляются в виде элементов Гюйгенса. Результирующее поле будет являться суперпозицией полей от каждого элемента Гюйгенса. Понятно, что точность такого расчёта напрямую зависит от размеров прямоугольников, на которые разбивается поверхность. Однако если уменьшать прямоугольники, то их количество возрастёт, а при большом количестве последних затрудняется расчёт. По этой причине необходимо находить некоторый компромисс.
Ситуация несколько проще (в части описания источника) с разрядом непосредственно в корпус БА и кабельную сеть. В этом случае ЭСР целесообразно рассматривать как источник тока, подключенный к корпусу БА (при разряде в корпус) или к линии кабеля (при разряде в кабельную сеть). В первом случае по корпусу БА КА будут течь токи, которые будут проникать внутрь сквозь стенки корпуса и неоднородности. Проникшие внутрь токи вызовут ЭМП, которое будет действовать на функциональные узлы БА. Во втором случае помеха придёт по кабелю на вход БА.
Характеристики импульсов ЭСР описаны в литературе, например, они приведены в [6].
Библиографический ссылки
1. NASA-HDBK-4002A. Mitigating in-space charging effects. Guideline. National Aeronautics and Space Administration, 2011. 181 р.
2. Костин А. В., Пиганов М. Н. Расчет помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. С. 1376— 1379.
3. Фёдоров Н. Н. Основы электродинамики : учеб. пособие для вузов. М. : Высшая школа, 1980. 399 с.
4. Техника высоких напряжений : курс лекций. Томск : ТПУ, 2005.
5. Сливков И. Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М. : Атомиздат, 1972. 304 с.
6. Соколов А. Б. Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов : дис. ... д-ра техн. наук. М. : МИЭМ, 2009.
References
1. NASA-HDBK-4002A. Mitigating in-space charging effects. Guideline. National Aeronautics and Space Administration, 2011. 181 р.
2. Fyodorov N. N. Osnovy electrodinamiki (Fundamentals of electrodynamics). M. :Visshaya shkola, 1980. 399 p.
3. Tekhnika vysokikh napryazheniy (High Voltage Equipment). Classes for bachelors direction 140200 «Electric Utilities». Tomsk, TPU, 2005.
4. Slivkov I. N. Elektroizolyatsiya i razryad v va-kuume (Electrical insulation and discharge in vacuum). Moscow, Atomizdat, 1972. 304 p.
5. Sokolov A. B. Obespecheniye stoykosti bortovoy radioelektronnoy apparatury kosmicheskykh apparatov k vozdeystviyu elektrostaticheskykh razryadov (Ensuring the stability of onboard avionics spacecraft to electrostatic discharges). Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. Moscow, MIEM, 2009.
© Костин А. В., 2013
УДК 621.314
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА, ИНТЕГРИРОВАННОГО В МНОГОСЛОЙНУЮ ПЕЧАТНУЮ ПЛАТУ
И. В. Лофицкий, А. А. Никитин
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет) Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34. Е-mail: nikandrew.rus@gmail.com
Рассматривается проектирование трансформатора, интегрированного в многослойную печатную плату. Подобран ферритовый сердечник и рассчитаны его параметры. Произведен расчет витков обмоток, выполненных в виде проводников на печатной плате. Выполнен анализ форм-фактора трансформатора.
Ключевые слова: плоский трансформатор, многослойная печатная плата, ферритовый сердечник.
DESIGN OF A TRANSFORMER INTEGRATED INTO A MULTILAYER PRINTED BOARD
I. V. Lofitskii, A. A. Nikitin
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University) 34, Moskovskoie shosse, Samara, 443086, Russia. E-mail: nikandrew.rus@gmail.com
In the article the design of a transformer integrated into a multilayer printed board is considered. The ferrite core is selected and its parameters are calculated. The calculation of invoice rounds of the windings executed in the form of tracks on the printed circuit board was made. The analysis of a form factor of the transformer was performed.
Keywords: plane transformer, multilayer printed board, ferrite core.
Печатные платы с поверхностным монтажом достигли уровня, когда трансформаторы, даже рассчитанные под поверхностный монтаж, серьезно ухудшают габариты устройства.
Эта проблема может быть решена применением трансформаторов, интегрированных в печатную плату. Данный метод актуален для устройства, в котором используется несколько моточных изделий, так как подразумевает использование многослойных печатных плат.
В данной статье рассмотрена разработка основного трансформатора для импульсного DC/DC преобразователя, рассчитанного на входные напряжение 36-76 В и ток 5 А, выходные напряжение 12 В, ток 10 А и частоту переключения 150 кГц.
В работе проведен анализ материалов ферритовых сердечников, обеспечивающих наименьшие потери на частоте 150 кГц. Выбранный материал N92, имеет Ру = 410 кВт/м3, также этот материал имеет самую высокую индукцию насыщения Б8 = 440 мТл, что является положительным моментом при изготовлении выходных дросселей и силовых трансформаторов.
Для трансформатора был выбран ферритовый сердечник ЕЯ 32/5/21 [1].
Конструкция трансформатора представляет собой 12-слойную печатную плату с окнами под внешний сердечник [2]. Толщина слоев меди была выбрана 35 мкм, так как она является наиболее оптимальным вариантом для производства. Разрабатываемый трансформатор с выводом от средней точки во вторичной обмотке имеет соотношение витков 5:2. Послойное размещение обмоток представлено в таблице. Во избежание перегрева и выгорания проводников было принято решение использовать бифилярную намотку, что снизит ток через обмотку в 2 раза.
Как видно по данным таблицы, основной проблемой является необходимость разместить в первичной обмотке по 3 витка на слой. Так как расстояние (см. рисунок) ограничено сердечником и неизменно на всех слоях, то на 6 и 10 слоях витки будут иметь минимальную площадь сечения. Максимально возможная ширина витка Ь = 1,2 мм.
Плотность тока была получена исходя из формулы [3]:
