04.07.2014

Сертификационные испытания технических средств на соответствие требованиям электромагнитной совместимости


В статье рассмотрены программноаппаратные комплексы для проведения сертификационных испытаний технических средств на соответствие требованиям электромагнитной совместимости, регламентированных разделами 16–22, 25 КТ160D.
До недавнего времени на предприятиях России и СНГ существовало разрозненное оборудование, используемое для имитации работы бортовых сетей питания при проведении испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС) авиационных приборов и систем. Развитие и совершенствование авиационной техники привело к появлению более совершенных программноаппаратных испытательных комплексов, имеющих модульную архитектуру, которая позволяет конфигурировать данные комплексы для решения различных задач.
Рассмотрим программноаппаратные комплексы на базе серийно выпускаемого зарубежного оборудования для проведения испытаний, регламентированных разделами 16–22, 25 КТ-160D:
  • комплекс имитации бортовых сетей (КИБС) электропитания для испытаний технических средств авиационной аппаратуры на основе современных программируемых источников питания;
  • комплекс имитации переходных процессов (КИПП), возникающих при одиночном и многократном ударе молнии, а также при многократных вспышках молнии;
  • комплекс имитации электростатических разрядов (КИЭР).
Таблица 1. Комплекс для проведения испытаний на соответствие требованиям разделов 16, 17 и 18
Раздел требованийПриборы в составе комплексаОсновные характеристики приборовНазначение
16KT-160D «Электропитание».
Постоянный ток напряжением 27 В
номинальной
мощностью
до 3 кВт
DATA80-120, DANA, Италия 16KT-160D Управляемый линейный источник постоянного тока: 0...80 B; 0...120 A; 9,6 кВт. Аналоговое управление выходным напряжением. Скорость изменения выходного напряжения 400 В/мсИмитация всех показателей качества электроэнергии, установленных в KT160D раздел 16, ГОСТ 19705 (кроме импульсов напряжения 50 и 600 B) и DO160F раздел 16 для испытаний авиационного оборудования, питающегося от сети постоянного тока 27 в при потребляемой номинальной мощности до 3000 Вт (максимальный потребляемый ток в диапазоне входных напряжений от 5 до 80 В -120 А)
TOE 8805-80, Tollner, Германия Программируемый линейный источник постоянного тока: 0…32 В; 0…5 А; 160 Вт; 1000 узловых точек для задания изменений во времени выходного напряжения и ограничений по току. Скорость изменения выходного напряжения – 2 кВ/мс. По заказу: амплитудная модуляция до 4 B; до 70 кГц (разд. 18 кт160). В предложенной конфигурации используется как программируемый задающий генератор для ИП фирмы DANA
16KT-160D
«Электропитание».
Постоянный ток,
частота 360...800 Гц,
напряжение
115/200 B,
мощность 2 кВА на фазу с возможностью
использования в однофазном режиме с мощностью 6 кВА.
Постоянный ток
напряжением 270 В
мощностью 4 кВт
61504, Chroma, Тайвань Многофункциональный однофазный программируемый источник переменного тока 0...300 В; 16...1000 Гц; 2 кВА на фазу; постоянный ток напряжением до 400 BИмитация всех показателей качества электроэнергии, установленных в ГОСТ 19705 (кроме импульсов напряжения 70 В и 600 В и пульсации напряжения с частой более 500 Гц в сети постоянного тока) и DO160F раздел 16 для испытаний авиационного оборудования, питающегося от следующих сетей:
  • переменного тока трёхфазной и однофазной 115/230 В постоянной частоты 400 Гц и переменной частоты 360...800 Гц при мощности потребления до 6 кВА (максимальный ток до 14,8/44,4 А в диапазоне установившихся значений напряжений от 75 до 135 В);
  • постоянного тока 270 В при потребляемой мощности до 6 кВт (максимальный ток до 14 А в диапазоне установившихся значений напряжений от 230 до 290 В);
  • постоянного тока 27 В при потребляемой мощности до 500 Вт (максимальный ток линейно уменьшается с 22 А при напряжении 33 В до 15 А при напряжении 20 В)
17 DO-160F
«Импульсы напряжений»
MIG 2000-6, EMC-Partner, Швейцария Генератор высоковольтных импульсов (силовая платформа)Ввод в любую сеть электропитания высоковольтных импульсов ±600 В с формой, установленной разделом 16 КТ-160 (DO-160D), DO160F и ГОСТ 19705
Fx-DO160-S17, EMC-Partner, Швейцария Сменный блок к MIG 2000-6, формирующий импульсы амплитудой ±(200...1000) В и длительностью 10 мкс; фронт 2 мкс; период 1 с
CN-MIG-BT, EMC-Partner, Швейцария Индуктор для инжекции в кабель питания импульсов от генератора MIG 2000-6 и синусоидальных колебаний с частотой более 5 кГц
Veri 50 (5), EMC-Partner, Швейцария Высоковольтный высокочастотный резистор 50 Ом для калибровки процесса инжекции
18KT-160D
«Восприимчивость к помехам звуковой частоты,
поступающим
через входы
электропитания».
Трёх-/однофазный
переменный
ток частотой 360...800 Гц,
напряжение 115/200 B
TOE 741, Toellner, Германия Функциональный генератор 1 мГц...100 кГц; 45 мВ...45 В; 63Вт. В качестве управляющего генератора обеспечивает в имитируемой сети постоянного тока пульсации напряжения с частотой до 20 кГц. Через индуктор CN-MIG-BT обеспечивает создание в сети электропитания помех с частотой 5…100 кГцВвод помех частотой до 5 кГц и амплитудой до 12 В в имитируемую цепь питания 115 В/400 Гц обеспечивается следующими функциональными возможностями программируемых источников питания переменного тока, предложенными для раздела 16:
  • поточечное построение формы выходного напряжения (дискретность 100 мкс.);
  • гармонический синтез выходного напряжения
КОМПЛЕКС ИМИТАЦИИ БОРТОВЫХ СИСТЕМ (КИБС)
Без проведения полномасштабных испытаний на воздействие всех помех, существующих в цепях питания самолётов и вертолётов, невозможно гарантировать надёжную работу любых летательных аппаратов (ЛА), электропитание которых осуществляется от бортовых систем электроснабжения. Проведение испытаний позволяет обнаружить наиболее уязвимые места ЛА, оценить степень их помехозащищённости и исключить возможные отказы и сбои при эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры. Однако до настоящего времени проведение таких испытаний являлось сложной технической задачей и требовало разработки нестандартного и дорогостоящего оборудования. При построении имитаторов бортовой сети постоянного и переменного тока, входящих в состав многофункциональных имитационных лабораторий для наземных испытаний электрооборудования ЛА, требуется высокая точность воспроизведения параметров бортовой сети. Амплитуда, частота и гармонический состав выходного напряжения имитатора должны соответствовать требованиям ГОСТ 19705-89, КТ-160, ГОСТ В 21134-75, ГОСТ В 21999-86, ГОСТ 28751- 90, ГОСТ РВ 51937-2002, ГОСТ Р 51317.4.11 (4.12;4.14; 4.16; 4.17), ГОСТ В 24425-80 и частным техническим требованиям для космических аппаратов на системы электроснабжения самолётов и вертолётов, существенно отличающихся от подобных требований к общепромышленным системам.
Известно, что при испытаниях силовых модулей с бортовыми нагрузками, возникают проблемы электромагнитной совместимости, которые до сих пор решались созданием модуля для испытания конкретного изделия. В то же время изменение элементной базы силовых модулей и состава бортовых потребителей постоянного и переменного тока привело к усложнению проблемы электромагнитной совместимости и многофункциональности.
Важным условием расширения функциональных возможностей имитаторов бортовой сети является их интеллектуализация, предполагающая введение информационных компонентов в состав управляющего устройства. Это позволяет решать задачи эффективного управления за счётприменения микроконтроллерных средств и персональных компьютеров.
Описываемый комплекс имитации бортовых сетей постоянного и переменного тока (КИБС) представляет собой программноаппаратный комплекс, который позволяет проводить проверку и испытания ЛА на соответствие требованиям к качеству электропитания, установленным в указанных выше нормативнотехнических документах (НТД). Развитое программное обеспечение облегчает моделирование любых процессов в системахэлектроснабжения в соответствии с требованиями, предъявляемыми к испытываемой аппаратуре.
Компактность и удобство работы с предлагаемыми комплексами позволяет использовать их на всех стадиях жизненного цикла ЛА – от разработки до приёмосдаточных испытаний, а также при аттестации серийно выпускаемой продукции, в том числе и зарубежной.
В статье предоставлены технические решения по комплектации программно-аппаратных комплексов на базе серийно выпускаемого зарубежного оборудования для проведения испытаний, регламентированных разделами 16–18 КТ160D (см. таблицу 1).
КОМПЛЕКС ИМИТАЦИИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ (КИПП)
В настоящее время обязательным видом испытаний бортового электротехнического и электронного оборудования (БО) летательных аппаратов являются испытания на восприимчивость к переходным процессам, вызванным молнией. Эти процессы возникают при прямом ударе молнии в корпус летательного аппарата и последующем растекании токов молнии по различным металлическим узлам этих аппаратов, в частности, по межблочным линиям связи (МЛС).
Высокая поражающая эффективность токов растекания объясняется тем, что в МЛС возникают наведённые импульсы высокого напряжения и большие токи, представляющие собой серьёзную угрозу для современной слаботочной электроники БО. Поэтому стойкость к переходным процессам, вызванным молнией, выделена в отдельный вид испытаний, который регламентируется нормативным документом EUROCAE ED14D/RTCA-DO-160D (KT-160D) «Условия окружающей среды и методики испытаний бортового оборудования», раздел 22: «Восприимчивость к переходным процессам, вызванным молнией». Этот документ с 2004 г. распространяется и на все типы БО, выпускаемые в России и странах СНГ.
Оборудование должно выполнять свои функции под воздействием испытательных импульсов идеализированной формы, имитирующих импульсные наводки, индуцируемые молнией. Требования по стойкости оборудования к переходным процессам от молнии должны быть определены в НТД.
Для квалификации оборудования следует применять две группы испытаний. Первая группа испытаний оборудования на повреждаемость выполняется посредством контактного ввода, как описано в п. 22.5.1. Вторая группа испытаний, описанных в п. 22.5.2, оценивает работоспособность оборудования при воздействии импульсов на жгуты соединительных кабелей. Испытания кабельными вводами включают испытания на единичный удар, многократный удар и многократную вспышку. Их можно использовать и для проверки стойкости к повреждениям. Соответствующая группа или группы испытаний должны быть установлены в НТД на оборудование.
Данные испытания, возможно, не охватывают все аспекты взаимодействия и воздействий молнии на оборудование, работающее в системе. Для сертификации оборудования или системной установки в зависимости от выполняемых функций могут потребоваться дополнительные испытания, такие как подача импульсов разной формы, одновременный ввод импульсов в кабельный жгут и использование множества частот.
Программно-аппаратный комплекс имитации переходных процессов КИПП1 (далее – комплекс) предназначен для воспроизведения условий испытания бортового оборудования на устойчивость (иммунитет) к воздействию испытательных импульсов идеализированной формы, имитирующих импульсные наводки, индуцируемые молнией, в соответствии с требованиями раздела 22.0 КТ-160D (RTCA DO160) «Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования».
Комплекс формирует испытательные импульсы напряжения или тока положительной и отрицательной полярности различной формы (см. рис. 1). Импульсы напряжения и токаРежимы воспроизведения импульсов, обеспечиваемые комплексом:
  • единичные импульсы с регулируемым интервалом повторения от 3 с, имитирующие переходный процесс от однократного удара молнии (SS). Однократный удар – наиболее энергетически мощный переходный процесс при ударе молнии, предназначенный для оценки устойчивости оборудования;
  • одиночные пачки импульсов длительностью от 10 мс до 2 с, состоящие максимум из 30 импульсов, распределённых внутри пачки с произвольным интервалом от 10 до 500 мс и регулируемым интервалом повторения пачек от 60 до 90 с, имитирующие переходный процесс от многократного удара молнии (МS). На рисунке 2 приведён пример имитируемого переходного процесса от многократного удара молнии;
многократные пачки импульсов длительностью от 1 мс до 2 с, с количеством импульсов в пачке до 30; импульсы распределены внутри пачки с произвольным интервалом от 10 мкс до 10 мс и регулируемым интервалом повторения пачек от 2 до 10 с и имитируют переходный процесс от многократных вспышек молнии (MB). На рисунке 3 приведён пример имитируемого переходного процесса от многократной вспышки молнии.
Многократный удар молнииМногократная вспышка
Параметры пачек импульсов задаются в виде шаблонов (pattern) «ударов» и «вспышек» (см. рис. 4).  Шаблон «ударов» и «вспышек», распределённых в случайном порядке
Комплекс представляет собой набор функционально законченных устройств, которые в совокупности обеспечивают имитацию всех требуемых воздействий для проведения испытаний. В состав комплекса входят следующие технические средства:
  • генератор MIG 0600SS для создания одиночных импульсов и генератор MIG 0600МS для создания многократных импульсов (одиночных пачек импульсов) формы WF1, WF4, WF5А, WF5В;
  • генератор MIG 0618SS для создания одиночных импульсов формы WF1, WF4, WF5А, WF5В с уровнями жёсткости 3–5;
  • генератор MIGOSMS с устройством расширения MIGOSMBEXT для создания одиночных и многократных импульсов, а также многократных пачек импульсов формы WF2,WF3, WF6;
  • устройство связи и развязки (магнитные индукторы) CNGICI, CN-GI-CI-V, CN-MIG-BT1, CNMIGBT для ввода помех.

В качестве стабилизатора (эквивалента) сети питания для проведения испытаний необходимо использовать устройство DN-LISN160-32 и набор шунтирующих конденсаторов (особенности применения данного устройства изложены в его руководстве по эксплуатации).
Для развязки цепей питания и выхода генераторов импульсов, а также защиты источника от высоковольтных импульсов используются ограничительный диод или варистор, входящие в комплект GNDBDDC (см.руководство по эксплуатации). Полный состав оборудования, входящего в состав КИПП-1, представлен в таблице 2.
Таблица 2. Комплекс для проведения испытаний на соответствие требованиям раздела 22
Раздел требованийПриборы производства EMCОсновные характеристики приборов
22 KT-160D «Восприимчивость к переходным процессам, вызванным молнией»
MIG 0600MSГенератор импульсов формы 1, 4, 5; уровень: 2–5 для MS и 2–3 для SS
CN-MIG-TTPin-инжектор для контактного ввода импульсов
CN-GI-CI/-VИндуктор для электромагнитной наводки в кабель импульсов тока формы 1
MIG 0618SSУсилитель импульсов формы 1, 4, 5 до уровня 4, 5 для SS
NW-MS-LEVEL1Аттенюатор для ослабления импульсов формы 1, 4, 5 до уровня 1
I-PROBE-MSПробник для измерения тока
MIG-OS-MBГенератор импульсов формы 2, 3; уровень 1–3 для контактного ввода; уровень 1–3 для любых кабелей; уровень 4 для кабелей более 5 м;
уровень 5 для кабелей с индуктивностью более 47 мкГн
MIG-OS-MB-EXTПлатформа для установки модулей генераторов импульсов формы 6H и усилителей импульсов формы 2, 3 до уровня 4–5 для любых кабелей
AC-DC DEC Levet 4&5Устройство согласования MIG-OS-MB-EXT с Pin-индуктором
NW-WF6H-MBМодуль к MIG-OS-MB-EXT, генерирующий импульс формы 6H
NW-WF2-SSМодуль к MIG-OS-MB-EXT, генерирующий импульс 1M-SS формы 3
NW-WF3-1M-SSМодуль к MIG-OS-MB-EXT, генерирующий импульс 1M-SS формы 3
NW-WF3-10M-SSМодуль к MIG-OS-MB-EXT, генерирующий импульс 1M-SS формы 3
CN-MIG-BTИндуктор для инжекции в кабель импульсов формы 2, 3; уровня 1–3 и импульсов от генератора MIG 2000-6
CN-MIG-BT1Индуктор для инжекции в кабель импульсов формы 2, 3 с апертурой 3Ч 7,5
CND-BDBCУстройство развязки, защищающее источник питания от высокоамперных импульсов
DN-LISN160-32Эквивалент сети электропитания
I-PROBE-MB-P1Пробник для измерения тока при наведении в кабель импульсов формы 2 и 3
TEMAПрограммное обеспечение для управления комплексом MIG 0600MS и MIG-OS-MB
ESD3000-OPTOLINKОптическая линия связи
Veri 50Высоковольтный резистор
Genecs-migПрограммное обеспечение для управления MIG 2000-6

КОМПЛЕКС ИМИТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ (КИЭР)
Увеличение ресурса эксплуатации космических аппаратов (КА) является актуальной научнотехнической проблемой. Для нового поколения КА рост отношения массы полезной нагрузки к общей массе КА сопровождается снижением помехозащищённости бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА). Это связано, в том числе, и с тем, что расширение функциональных возможностей БРЭА (цифровые технологии, повышение тактовых частот обработки информации, расширение спектра обрабатываемых сигналов и т.п.) с одновременным уменьшением массогабаритных показателей и снижением энергопотребления приводит к необходимости применения новой элементной базы, к сожалению, более чувствительной к электромагнитным помехам (ЭМП). Всё это усложняет проблему электромагнитной совместимости приборов и узлов БРЭА и отражается на работоспособности самого КА.
Одной из наиболее сложных задач в процессе создания работоспособных КА является обеспечение стойкости БРЭА к воздействию электростатических разрядов (ЭСР), являющихся следствием процессов электризации в условиях эксплуатации аппаратов.
Процессы электризации (как внешней, так и внутренней) КА можно классифицировать по способу поражения как самих электронных блоков, так и элементов электронных схем:
  • разряды на поверхности КА, создающие импульсные помехи в бортовой кабельной сети (БКС), антеннах и датчиках, расположенных на внешней поверхности КА. Эти помехи поступают на входы электронных блоков и приводят к обратимым и необратимым отказам в работе электроники;
  • разряды непосредственно в кабели, соединяющие между собой электронные блоки, антенны, датчики и панели солнечных батарей;
  • разряды в проводники печатных плат блоков электроники (выводы интегральных схем, транзисторов, диодов и др.);
  • разряды непосредственно в кристаллы полупроводниковых элементов из диэлектрических корпусов этих элементов.
Особую роль при этом играют процессы электризации поверхности КА,что вызывает электростатические разряды на поверхности блоков и кабельных систем. Электростатические разряды, возникающие вследствие дифференциальной зарядки летательного аппарата, являются источниками электромагнитных помех, воздействующих на отдельные элементы и устройства и (или) бортовые системы в целом.
Разности потенциалов на поверхностях КА, находящихся на геостационарной орбите (ГСО), могут достигать 20 кВ, а средние значения энергии ЭСР составляют 6…200 мДж. В результате разряда по корпусу аппарата протекают импульсные токи амплитудой до 100 А, которые приводят к возникновению ЭМП в элементах кабельных систем БРЭА.
Электромагнитные помехи различной природы, вызванные ЭСР, могут приводить к нарушению режимов работы БРЭА в виде кратковременных сбоев и отказов, искажению информационных сигналов и сигналов управления, а в отдельных случаях и к физическому повреждению бортовых устройств. Изза высокой сложности реальных конструкций КА (и БРЭА) задача определения места разряда и его уровня является достаточно сложной и на сегодняшний день не решена. Это затрудняет разработку методов и средств предотвращения ЭСР и, соответственно, защиты аппаратуры от его воздействия.
Если проблема, связанная с обеспечением стойкости РЭА КА к воздействию ЭСР, не будет решена, то возможный ущерб от потери спутников по этой причине может многократно превосходить их стоимость.
Для исследования электромагнитной восприимчивости и электромагнитной совместимости, возникает необходимость в разработке методов и технических средств проведения исследований и испытаний. Испытательные технические средства состоят из имитаторов и измерителей – преобразователей параметров электромагнитной обстановки. Параметры электромагнитной обстановки и условия проведения испытаний регламентируются международными и национальными государственными и отраслевыми стандартами, например KT-160D.
Существующие стандарты не охватывают всё разнообразие электромагнитных помех от существующих и вновь появляющихся источников. В связи с этим необходимо разрабатывать и использовать при испытаниях и исследованиях универсальные имитаторы, позволяющие создавать практически все виды помех, с широким интервалом перестраиваемых параметров, и реализовывать нестандартные методы исследований и испытаний для различных типов бортовых систем летательных аппаратов.
При проведении испытаний важно не только установить факт работоспособности элементов и устройств бортовых систем, но и диагностировать причины отказа или выхода из строя. До настоящего времени практически не разработаны теоретические и экспериментальные методы диагностирования причин отказов (сбоев, нарушения работоспособности), возникающих вследствие воздействия электромагнитных помех.
Установление причин отказов требует значительных временных и материальных затрат. Поэтому в настоящее время, в связи с усложнением испытываемых бортовых систем, возрастает актуальность разработки методов диагностирования бортовых систем вусловиях адекватной электромагнитной обстановки.
Стойкость к воздействию электростатических разрядов регламентируется нормативным документом EUROCAE ED-14D/RTCA-DO-160D (KT 160D) «Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования», раздел 25:«Электростатический разряд». Оборудование должно выполнять свои функции в соответствии с применяемой НТД без ухудшения характеристик во время действия электростатического импульса, создаваемого происходящим в воздухе разрядом.
Устойчивость к электростатическому разряду должна определяться по способности испытываемого комплекта оборудования выдерживать последовательность электростатических импульсов при заданном уровне жёсткости 15 000 В в определённых местах «контакта оборудования с человеком» в этом комплекте. Импульсов должно быть десять в каждой из заданных позиций как положительной, так и отрицательной полярности напряжения.
Комплекс имитации электростатических разрядов (КИЭР) представляет собой набор отдельных функционально законченных устройств, которые в совокупности обеспечивают имитацию всех требуемых воздействий для проведения испытаний. Состав комплекса представлен в таблице 3.
Таблица 3. Комплекс для проведения испытаний на соответствие требованиям раздела 25
Раздел требованийПриборы производства
EMC Partner, Швейцария
Основные характеристики приборов
25 DO-160F
«Электростатический разряд»
ESD3000DN1Генератор электростатического разряда 150 пФ/330 Ом. Воздушный разряд ±(1...30) кВ.
Контактный разряд ±(1…30) кВ. Период 50 мс – 30 с
ESD-VERI-VКалибровочный резистор 20 ГОм
ESD-TARGET2Калибровочное устройство

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Исходя из требований заказчика, можно подобрать оптимальный вариант испытательного комплекса требуемой мощности. Поставляемые комплексы имитации могут быть аттестованы с участием 32 ГНИИИ МО РФ на возможность проведения испытаний ЛА в соответствии требованиями, установленными в конкретной технической документации.