BR102013009885A2

BR102013009885A2 - Placa de circuito impresso (pcb) e método

Info

Publication number: BR102013009885A2
Application number: BRBR102013009885-0A
Authority: BR
Inventors: Peter James Handy; Adrian Shipley
Original assignee: Ge Aviat Systems Ltd
Priority date: 2012-05-01
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2015-07-14
Also published as: GB2501693B; GB2501693A; GB201207534D0; US20130293989A1; JP2013231720A; US8842398B2

Abstract

Placa de circuito impresso (pcb) e método. Trata-se de um aparelho e método para detectar uma falha de arco que usa um condutor de potência (14) sobre uma placa de circuito impresso (pcb) (10), que supre potência proveniente de uma fonte de potência externa para os componentes elétricos sobre a pcb (10) através da verificação de um valor indicativo da taxa de mudança de corrente que atravessa o condutor de potência (14). O aparelho e o método podem ser usados para detectar falhas de arco tanto internas quanto externas à pcb (10)

Description

“PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCB) E MÉTODO” Referências Cruzadas aos Pedidos Relacionados Esse pedido reivindica prioridade sob 35 U.S.C. § 119 para o Pedido de Patente Britânica N° GB 12.075.347, depositado em 1- de maio de 2012, cuja revelação é incorporada no presente a título de referência.

Antecedentes da Invenção Os circuitos elétricos, tais como os usados em sistemas de aviação de aeronave podem usar tensão relativamente alta e têm a capacidade de suprir alta corrente. As falhas elétricas, tal como uma falha de arco, podem ocorrer nos mesmos e tipicamente permitem que a corrente tanto flua através de um meio condutor ou salte através de um meio não condutor de um condutor para outro. A capacidade de detectar tais falhas de arco é importante, visto que se as mesmas não forem detectadas prontamente, as falhas de arco podem se desenvolver em pequenos circuitos, funcionamentos defeituosos e outros problemas no equipamento servido pelos circuitos eléctricos.

Breve Descrição da Invenção Em uma realização, uma placa de circuito impresso (PCB) inclui uma pluralidade de componentes elétricos, um condutor de potência configurado para acoplar uma fonte de alimentação externa à PCB e fornecer potência à pluralidade de componentes elétricos e um detector de falha de arco que inclui um primeiro transformador de núcleo de ar localizado na proximidade do condutor de potência para acoplar a um campo magnético gerado pela corrente que atravessa o condutor de potência e que fornece uma tensão de saída, Vsaída, que é proporcional à taxa de mudança de corrente, dl/dt, que atravessa o condutor de potência.

Em outra realização, um método para detectar uma falha de arco em um condutor de potência sobre uma PCB inclui verificar um valor indicativo da taxa de mudança de corrente que atravessa o condutor de potência por um transformador de núcleo de ar localizado sobre a placa de circuito impresso e determinar uma condição de falha de arco com base no valor verificado.

Breve Descrição dos Desenhos Nos desenhos: As Figuras 1A e 1B são ilustrações esquemáticas de uma PCB de acordo com uma realização da invenção. A Figura 2A é uma ilustração esquemática das bobinas exemplificativas que podem ser usadas com a PCB da Figura 1. A Figura 2B ilustra um esquema equivalente simplificado da Figura 2A que permite a avaliação dos parâmetros de acoplamento eletromagnético da bobina. A Figura 3 é um diagrama esquemático de uma configuração de circuito de teste exemplificativa de acordo com uma realização da invenção. A Figura 4A ilustra uma plotagem da corrente que percorre uma falha de arco em série no circuito ilustrado na Figura 3 e a Figura 4B ilustra uma plotagem da resposta da tensão de saída de bobina de núcleo de ar amplificada.

Descricão de Realizações da Invenção As realizações da invenção envolvem o uso de um transformador de corrente com núcleo de ar instanciado de PCB para detectar a taxa rápida de mudança de corrente (dl/dt) que pode ser criada em alimentadores de distribuição de potência de aeronave, a título de exemplo não limitador, durante eventos de falha de arco em série e paralelo. No histórico de sistemas de detecção de falha de arco, diferenciadores de hardware de resistor-capacitor foram usados com a finalidade de determinar a dl/dt de um conjunto de circuito de medição de corrente de saída de Controlador de Potência de Estado Sólido (SSPC) output. Os SSPCs são tipicamente projetados para ler cerca de 600% de suas correntes nominais para funcionar em ambiente antecipado. As falhas de arco em altas voltagens criam distúrbios atuais na ordem de somente % da corrente nominal. Assim, o distúrbio de falha de arco pode ser difícil de separar do ruído geral do circuito. SSPCs frequentemente usam resistores de derivação como um meio para medir a corrente que atravessa seus terminais e os resistores de derivação são dimensionados de acordo com a faixa acima, o que significa que a razão sinal-ruído disponível para a detecção de falha de arco é limitada. Resistores de derivação trabalham bem em aplicações de baixa tensão, más perdem a capacidade de discernir o distúrbio de falha de arco do ruído geral do circuito à medida que as a tensão aumenta. Essa dificuldade pode ser ilustrada com um olhar para os exemplos específicos.

Em sistemas de alta tensão, a mudança em corrente de saída devido a uma falha de arco em série tornar-se diminuída de acordo com a equação: deitai = (VARC / VLINE) * ILOAD (1) No ambiente contemplado, um evento típico de falha de arco resultará em um sinal de 20 volts. Em um sistema de CC de 28 volts, a redução na corrente durante um evento de falha de arco em série de 20 volts resulta na seguinte relação: deitai / ILOAD = 20 / 28 = 0,714 = 71,4%. No entanto, em um sistema de CC de 270 volts, a redução na corrente durante um evento de falha de arco de 20 volts similar resulta na seguinte relação: deitai / ILOAD = 20 / 270 = 0,074 = 7,4%. Em um típico sistema de monitoramento de corrente no interior de um SSPC, a faixa de medição tipicamente cobre 0% a 600% da corrente nominal. As cargas típicas aplicadas aos SSPCs são reduzidas até cerca de 75% do valor da corrente nominal, portanto, a mudança na corrente devido a uma falha de arco em série que assume uma tensão de linha de CC de 270 volts é 7,4% da corrente de carga de 75% e é somente um valor de corrente de 5,6% da faixa em escala total 600%. Em contraste, no sistema de CC de 28 volts, a corrente de carga reduzida é de 53,6%, quase 10 vezes maior. O valor de corrente de 5,6% como uma proporção da faixa de 600% é somente 0,93% da faixa em escala total de 600% quando comparada a 8,9% para o sistema de 28 volts. Tal mudança de 0,93% na corrente devido à falha de arco em série está na mesma ordem da precisão do sistema de monitoramento de corrente no interior do SSPC. A mudança para o sistema de 28 volts está em uma magnitude maior. Assim, enquanto o evento de falha de arco em um sistema de CC de 28 volts é facilmente determinado com o resistor de derivação, o mesmo não é verdade para o evento de falha de arco no sistema de CC de 270 volts.

As informações que são requeridas para os propósitos de detecção de falha de arco são puramente o conteúdo de CA do sinal de CC que está suprindo potência para a dada carga. Portanto, o conteúdo de CC de sinal pode ser ignorado e o acoplamento de CA característico do transformador pode ser usado. Devido aos altos níveis de corrente de CC no sistema, um típico transformador de corrente de núcleo de ferro não pode ser usado devido à questão da saturação de núcleo. O transformador de corrente com núcleo de ar instanciado de PCB não satura e, portanto, soluciona essa questão ignorando quaisquer componentes de corrente CC e fornecendo dl/dt diretamente. A invenção fornece uma solução para determinar eventos de falha de arco em ambientes de alta tensão. Uma realização das invenções é ilustrada na Figura 1A no contexto de uma PCB 10 que pode incluir uma placa 12 que tem uma pluralidade de componentes elétricos (não mostrada com finalidade de clareza), um condutor de potência 14 e um detector de falha de arco 16. A placa 12 pode ser formada de qualquer material adequado tal como um substrato ou laminado, que em geral é termicamente não condutor. Várias partes que incluem memória, um microprocessador 11 e outros componentes elétricos 13 (por exemplo, resistores, diodos e capacitores) podem ser montados na placa 12. O condutor de potência 14 pode ser uma barra condutora ou qualquer outro tipo de condutor fornecido sobre a placa 12. Para propósitos ilustrativos, o condutor de potência 14 foi ilustrado como uma barra condutora. O condutor de potência 14 pode ser configurado para acoplar-se a uma fonte de alimentação (não mostrada) externa à PCB 10 par fornecer potência à pluralidade de componentes elétricos localizados sobre a placa 12. A fonte de potência externa pode ser pelo menos 60 volts e é contemplada para ser maior incluindo pelo menos 220 volts. O detector de falha de arco 16 é ilustrado como se incluísse um primeiro transformador de núcleo de ar 20 localizado na proximidade do condutor de potência 14 e um segundo transformador de núcleo de ar 22 ligado em série ao primeiro transformador de núcleo de ar 20. O detector de falha de arco 16 pode também incluir um circuito de processamento de sinal ou circuito de detecção de falha de arco 21. Contempla-se que o circuito de detecção de falha de arco 21 pode fornecer uma saída para o microprocessador 11 e o microprocessador 11 pode usar a entrada de sinal para determinar se existe um evento de falha de arco. Alternativamente, o circuito de detecção de falha de arco 21 pode ser acoplado ao microprocessador 11 ou pode ser parte do microprocessador 11 e pode implantar um algoritmo para detectar a ocorrência inicial de uma falha de arco e determinar uma condição de falha de arco com base no valor verificado. O primeiro e o segundo transformadores de núcleo de ar 20 e 22 podem estar localizados próximo ao condutor de potência 14 para adicionar construtivamente os componentes positivo e negativo de um campo magnético gerado pela corrente que atravessa o condutor de potência 14. Cada um dentre o primeiro e o segundo transformadores 20 e 22 pode incluir uma bobina instanciada na placa. Como pode ser visto mais claramente na Figura 1B, o primeiro transformador de núcleo de ar 20 foi ilustrado como se incluísse uma primeira bobina formada por um enrolamento 24 e o segundo transformador de núcleo de ar 22 foi ilustrado como se incluísse uma segunda bobina formada através de um enrolamento 26 enrolado em uma mesma direção rotacional como o enrolamento 24. O primeiro e o segundo transformadores de núcleo de ar 20 e 22 são ligados em antifase nessa maneira para efetuar a adição construtiva dos componentes positivo e negativo do campo magnético durante a operação.

Os enrolamentos 24 e 26 são ilustrados como se incluíssem trilhas sobre a placa 12 na forma de uma espiral, que é melhor ilustrado na Figura 2A. Os enrolamentos que formam o espiral retangular cada vez menor podem ser equivalentes à soma de muitos retângulos geometricamente similares com diferentes dimensões conforme mostrado pela bobina 30 na Figura 2B. Também se contempla que cada bobina possa incluir múltiplas espirais dispostas em diferentes camadas na placa 12 da PCB 10. Nota-se que somente uma bobina é ilustrada nas Figuras acima descritas para fins de simplificação. As aberturas 32 ilustram onde as múltiplas espirais sobre as múltiplas camadas da PCB 10 podem ser ligadas em série. O detector de falha de arco 16 pode também incluir um relé ou SSPC (não mostrado) que é responsivo ao detector de falha de arco 16. O detector de falha de arco 16 pode incluir conjunto de circuitos (não mostrado) que controla um relé ou SSPC (não mostrado) para desacoplar o condutor de potência 14 da fonte de alimentação quando uma falha de arco é detectada. Tal relé pode incluir um disjunto ou qualquer outro mecanismo adequado para desacoplar o condutor de potência 14 da fonte de alimentação quando uma falha de arco ocorre e a maneira específica na qual a ação de relé é alcançada não afeta o sistema descrito no presente.

Durante a operação, uma falha de arco pode ser detectada no condutor de potência 14 pelo detector de falha de arco 16. A ocorrência de falha de arco é verificada pelo detector de falha de arco 16 que preferencial mente mede a taxa de mudança de corrente elétrica I no condutor de potência 14 como uma função de tempo t, ou dl/dt. Durante a operação, o transformador de núcleo de ar pode acoplar-se a um campo magnético (conforme ilustrado por setas B na Figura 1A) gerado por uma corrente, ilustrado esquematicamente como seta 28, que atravessa o condutor de potência 14 e que fornece uma tensão de saída, Vsaída, que é proporcional à taxa de mudança da corrente, dl/dt, que atravessa o condutor de potência 14. Na realização ilustrada, a tensão através do primeiro e o segundo transformadores 20 e 22 pode ser Vsaída. O detector de falha de arco 16 pode receber Vsaída e pode determinar uma presença de uma falha de arco a partir da mesma. Mais especificamente, o detector de falha de arco 16 pode verificar um valor indicativo da taxa de mudança de corrente que atravessa o condutor de potência 14 e determine uma condição de falha de arco com base no valor verificado. A determinação de uma falha de arco pode ser feita com base se o valor verificado está em excesso de um valor de taxa de mudança máximo permitido. Será compreendido que tal determinação pode facilmente ser alterada para ser satisfeita por uma comparação positiva/negativa ou uma comparação verdadeira/falsa. Por exemplo, um valor menor que o limiar pode ser facilmente satisfeito através da aplicação de um teste maior do que quando os dados forem numericamente invertidos. O valor de taxa de mudança máximo permitido pode ser determinado experimentalmente.

Para determine uma falha de arco, o detector de falha de arco 16 verifica o valor do primeiro e o segundo transformadores 20 e 22 para adicionar construtivamente os componentes positivo e negativo de um campo magnético gerado pela corrente que atravessa o condutor de potência 14. A função de transferência pode ser derivada entre o diferencial de corrente de barra condutora dl/dt e a tensão de saída de bobina Vsaída, dada os parâmetros indicados. A tensão de bobina pode ser calculada através do uso das equações: Em que Vsaída = tensão através das duas bobinas ligadas em série; taxa. de mudança de- corrente através do barrameato de potência» K = o número de bobinas; N = o número de voltas; a = uma distância do centro da barra condutora até a borda da bobina; w= a largura da bobina; I = o comprimento da bobina; e s = o espaçamento entre as voltas em cada turbina.

Para a turbina dupla, realização exemplificativa de cinco voltas mostrada nas Figuras 1A e 1B, a série pode ser avaliada como: O sinal de tensão é indicativo da taxa de mudança de corrente com tempo e nessa maneira, o detector de falha de arco 16 pode determina se a taxa de mudança está em excesso de uma taxa de mudança máximo permitido.

Quanto mais voltas por turbina e mais as camadas usadas por turbina, maior o acoplamento entre a dl/dt e a tensão de saída de bobina Vsaída. A relação entre o comprimento de bobina e a tensão de saída é linear, ainda, a relação de Vsaída para a largura de bobina é proporcional à razão de In(b/a), assim um aumento maior em w ou b (Figura 1B) é requerido para resultar em qualquer crescimento notável no acoplamento, portanto, maximizar o comprimento da bobina é desejável, se possível. A Figura 3 ilustra um circuito de configuração de teste exemplificativo 100 que tem uma saída Vsaída, de acordo com uma realização da invenção. No circuito de configuração de teste 100, turbinas de ar duplas com dimensões / = 38 mm, w = 5 mm, a = 10 mm, portanto b = 15 mm foram testadas. A falha de arco em série foram criadas em uma mesa de vibração que contém uma configuração de terminal frouxo sob vibração aleatória em acordo com os padrões SAE AS5692. O teste foi realizado com uma tensão de linha de CC de 270 volts. A plotagem Figura 4A ilustra a corrente que atravessa uma falha de arco em série no circuito 100 ilustrado na Figura 3 como um terminal frouxo que é agitado enquanto energizado. A plotagem na Figura 4B ilustra a resposta da tensão dè saída de turbina de núcleo de ar que mostra um pulso negativo durante o evento de dl/dt negativo causado pelo batida de uma falha de arco em série. A amplitude do pulso é amplificada por 10 durante a falha de arco.

As realizações descritas acima fornecem uma variedade de benefícios que incluem a capacidade de detectar falhas de arco em série e/ou paralelas em sistema de CA e CC e é particularmente útil para detectar falhas de arco em série em sistemas de alta tensão. As realizações descritas acima podem ser usadas para detectar falhas de arco tanto internas quanto externas à PCB. O transformador de corrente com núcleo de ar fornece um meio de determinação do sinal de dl/dt em um alimentador de distribuição de potência sem ter que medir a corrente absoluta e subsequentemente ter que a sobrecarga de diferenciação desse sinal. As realizações acima também resultam em faixa dinâmica aprimorada do sinal de dl/dt comparada à diferenciação de um sinal de corrente absoluta. As realizações descritas acima também fornecem isolamento galvânico do sistema de medição de corrente que permite a flexibilidade em qualquer conjunto de circuitos de processamento de sinal requerido. Em sistemas de alta tensão, o amplificador de verificação de corrente para o sensor usado não tem que flutuar sobre a tensão de linha como um amplificador de verificação de corrente para um sensor de corrente de derivação de lado alto precisaria. As realizações descritas acima podem detectar componentes de CA de correntes de CC de alta magnitude sem saturar e fornecer boa rejeição contra as fontes de interferência distante de campo encontrada em ambientes de aeronave. A solução requer muitos poucos componentes periféricos e é barata para implantar se comparada a soluções alternativas.

Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo e também para habilitar qualquer indivíduo versado na técnica a praticar a invenção, incluindo fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos destinam-se a estar no escopo das reivindicações se os mesmo tiverem elementos estruturais que não sejam diferentes da linguagem literal das reivindicações ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims

1. PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCB), que compreende: uma pluralidade de componentes elétricos; um condutor de potência configurado para se acoplar a uma fonte de alimentação externa à PCB e fornecer potência para a pluralidade de componentes elétricos; e um detector de falha de arco que compreende um primeiro transformador de núcleo de ar localizado na proximidade do condutor de potência para se acoplar a um campo magnético gerado pela corrente que atravessa o condutor de potência e que fornece uma tensão de saída, Vsaída, que é proporcional à taxa de mudança da corrente, dl/dt, que atravessa o condutor de potência.

2. PCB, de acordo com a reivindicação 1, em que o detector de falha de arco compreende adicionalmente um circuito de processamento de sinal que recebe a Vsaída e determina uma presença de uma falha de arco.

3. PCB, de acordo com a reivindicação 2, que compreende adicionalmente pelo menos um dentre um relé e um SSPC que desacopla o condutor de potência da fonte de alimentação quando uma falha de arco é determinada.

4. PCB, de acordo com a reivindicação 1, em que o detector de falha de arco compreende adicionalmente um segundo transformador de núcleo de ar ligado em série e em antifase em relação ao primeiro transformador de núcleo de ar e a tensão que atravessa o primeiro e o segundo transformadores é Vsaída.

5. PCB, de acordo com a reivindicação 4, em que o primeiro e o segundo transformadores são localizados próximo ao condutor de potência para adicionar construtivamente os componentes positivo e o negativo do campo magnético gerado pela corrente que atravessa o condutor de potência.

6. PCB, de acordo com a reivindicação 5, em que o primeiro e o segundo transformadores são ligados em antifase para realizar de modo eficaz a adição construtiva dos componentes positivo e negativo do campo magnético.

7. PCB, de acordo com a reivindicação 6, em que o primeiro e o segundo transformadores compreendem uma primeira e uma segunda bobina, respectivamente.

8. PCB, de acordo com a reivindicação 7, em que cada uma dentre a primeira e a segunda bobinas é formada por um enrolamento enrolado em uma mesma direção rotacional.

9. PCB, de acordo com a reivindicação 8, em que cada bobina compreende pelo menos uma espiral.

10. PCB, de acordo com a reivindicação 9, em que cada bobina compreende múltiplas espirais dispostas em diferentes camadas na PCB.

11. PCB, de acordo com a reivindicação 8, em que o enrolamento compreende uma trilha na PCB.

12. PCB, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro transformador de núcleo de ar compreende uma primeira bobina.

13. PCB, de acordo com a reivindicação 12, em que a primeira bobina é formada por um enrolamento enrolado em uma mesma direção rotacional.

14. PCB, de acordo com a reivindicação 13, em que a bobina compreende pelo menos uma espiral.

15. PCB, de acordo com a reivindicação 14, em que a bobina compreende múltiplas espirais dispostas em diferentes camadas na PCB.

16. PCB, de acordo com a reivindicação 15, em que o enrolamento compreende uma trilha na PCB.

17. PCB, de acordo com a reivindicação 1, em que o condutor de potência compreende uma barra condutora.

18. MÉTODO, para detectar uma falha de arco através do uso de um condutor de potência em uma placa de circuito impresso (pcb), que supre potência a partir de uma fonte de potência externa para os componentes elétricos na PCB, em que o método compreende: verificar um valor indicativo da taxa de mudança de corrente que atravessa o condutor de potência através de um transformador de núcleo de ar localizado sobre a placa de circuito impresso; e determinar uma condição de falha de arco com base no valor verificado.

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 18, que compreende verificar o valor de pelo menos dois transformadores de núcleo de ar localizados próximos ao condutor de potência para adicionar construtivamente os componentes positivo e negativo de um campo magnético gerado pela corrente que atravessa um condutor de potência.

20. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 18, que compreende adicionalmente desconectar o condutor de potência da fonte de potência externa.

21. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 20, em que a fonte de potência externa é pelo menos de 60 volts.

22. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, em que a fonte de potência externa é pelo menos de 220 volts.