BRPI1105399A2 - Método de teste de um dispositivo protetor de tensão e equipamento de teste para dispositivo de proteção - Google Patents

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Abstract

MÉTODO DE TESTE DE UM DISPOSITIVO PROTETOR DE TENSÃO E EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO. Trata-se do teste de dispositivos protetores de tensão, em particular durante a vida útil de um produto. Um método de teste de um dispositivo de proteção em um circuito disposto para ser fornecido com uma fonte e uma carga é apresentado, sendo que compreende fornecer um detector em paralelo com o dispositivo de proteção; abrir um dispositivo de comutação fornecido no circuito e detectar a propriedade do surto de tensão causado pela taxa de mudança de corrente na indutância de circuito produzida pela abertura do dispositivo de comutação para determinar a condição do dispositivo de proteção. Se a propriedade detectada do surto de tensão, como o pico de tensão do mesmo, não for um valor predeterminado esperado ou não estiver dentro de uma faixa predeterminada esperada pode-se presumir que existe uma falha no dispositivo de proteção. Portanto, o dispositivo de proteção pode ser testado confiavelmente durante a vida útil do mesmo.

Description

“MÉTODO DE TESTE DE UM DISPOSITIVO PROTETOR DE TENSÃO E EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO”
A presente invenção refere-se ao teste de dispositivos protetores de tensão, em particular durante a vida útil de um produto.
Dispositivos protetores de tensão transiente são considerados por
protegerem circuitos eletrônicos sensíveis contra relâmpagos, falhas e outros transientes que poderiam causar danos aos circuitos. Qualquer falha nos dispositivos protetores em si pode ter sérias implicações de segurança, particularmente em produtos aeroespaciais.
De modo convencional, os dispositivos protetores de tensão
transiente são testados extensivamente apenas pelo fabricante do dispositivo. Estes, geralmente, podem não ser testados novamente, até quando os mesmos são montados em uma placa de circuito impresso (PCB). Consequentemente, isso poderia permitir que alguns tipos de falhas
permanecessem não detectados, deixando assim, os circuitos desprotegidos.
De acordo com a presente invenção, é fornecido um método de teste de um dispositivo protetor de tensão em um circuito disposto para ser fornecido com uma fonte e uma carga, cujo método compreende:
fornecer um detector em paralelo com o dispositivo de proteção;
abrir um dispositivo de comutação fornecido no circuito; e
detectar uma propriedade do surto de tensão causado pela taxa de mudança de corrente na indutância de circuito produzido pela abertura do dispositivo de comutação para determinar a condição do dispositivo de proteção.
Se o dispositivo de proteção estiver trabalhando satisfatoriamente,
o surto de tensão causado pela taxa de mudança de corrente na indutância de circuito quando um comutador é aberto deverá ter propriedades, como pico de tensão, duração, inclinação etc., de valor predeterminado esperado ou dentro da faixa predeterminada esperada. Se a propriedade detectada do surto de tensão estiver dentro da faixa predeterminada, pode-se presumir que o dispositivo de proteção está trabalhando satisfatoriamente. De outro modo, pode-se presumir que o dispositivo protetor de tensão tem uma falha.
A natureza da falha, tal como um curto-circuito parcial dentro do
dispositivo de proteção ou uma impedância elevada ou um circuito aberto pode ser determinada se a propriedade medida está abaixo ou acima do valor predeterminado ou da faixa predeterminada. O quanto a propriedade medida estiver acima ou abaixo do valor predeterminado ou da faixa predeterminada 10 pode ser um indicativo do estado do dispositivo de proteção ou do circuito. Por exemplo, se a propriedade medida estiver acima ou abaixo de um valor predeterminado esperado, até mesmo se o mesmo ainda estiver dentro da faixa predeterminada esperada, isso pode ser um indicativo de uma operação não ideal do circuito ou de um componente.
O pico do surto de tensão é preferencialmente detectado, pois o
mesmo é uma propriedade muito óbvia, facilmente detectável.
Uma vantagem dos exemplos da presente invenção é que o surto de tensão produzido pela abertura de um comutador é geralmente maior e mais bem definido do que quando as correntes de carga normal são comutadas. 20 Consequentemente, um surto de tensão suficientemente grande para testar um dispositivo protetor de tensão pode ser gerado até em circuitos com indutâncias relativamente baixas. Se necessário, indutância adicional pode ser fornecida no circuito ou um curto-circuito pode ser aplicado através de uma saída do circuito para aumentar a taxa de mudança de corrente na indutância de circuito quando 25 o dispositivo de comutação é aberto e dessa forma produzindo um surto de tensão grande o suficiente para fazer com que um dispositivo de proteção o conduza.
De acordo com outro aspecto da presente invenção, é fornecido um equipamento de teste para dispositivo de proteção para testar um dispositivo de proteção em um circuito que tem uma fonte e uma carga, o equipamento de teste para dispositivo de proteção compreende:
um detector fornecido em paralelo com o dispositivo de proteção para detectar a propriedade do surto de tensão produzido pelo fechamento e então pela abertura de um dispositivo de comutação fornecido no circuito; e
um controlador para determinar a condição do dispositivo de proteção com base na propriedade detectada do surto de tensão produzido pela abertura do comutador.
O dispositivo de comutação pode ser um comutador individual ou
uma pluralidade de comutadores. No caso de uma pluralidade de comutadores, estes podem ser conectados em paralelo. O(s) comutador(es) pode(m) ser um ou mais dispositivos semicondutores.
As realizações da presente invenção serão agora descritas, como forma de exemplo apenas, com referência aos desenhos em anexo, em que:
A Figura 1 mostra um circuito fornecido com um equipamento de teste para dispositivo de proteção de um exemplo da presente invenção;
A Figura 2 mostra surtos de tensão no ponto T produzidos pelo fechamento e pela abertura de um dispositivo de comutação no circuito da Figurai;
A Figura 3 é um exemplo de um dispositivo detector de proteção de tensão para um circuito com uma corrente CC;
As Figuras 4a e 4b mostram dois exemplos de dispositivos protetores de tensão para um circuito com uma corrente CA;
A Figura 5 é um exemplo de um detector de pico de tensão que
pode ser usado em um exemplo da presente invenção;
A Figura 6 é um exemplo de outro circuito que ilustra a presente
invenção; A Figura 7 mostra uma versão modificada do circuito mostrado na Figura 1 fornecido com um curto-circuito disposto para ser aplicado através de uma saída do circuito;
A Figura 8 mostra uma versão modificada do circuito mostrado na Figura 6 fornecido com um curto-circuito disposto para ser aplicado através de uma saída do circuito; e
A Figura 9 mostra um dispositivo de comutação e um dispositivo de proteção fornecidos como um único bloco de componente.
A Figura 1 ilustra um exemplo de um dispositivo protetor de tensão equipamento de teste fornecido em um circuito. O circuito 10 tem uma fonte de tensão 20, uma carga 30 e um meio de comutação 40 fornecido entre os mesmos. O circuito 10 pode, por exemplo, ser fornecido em uma aeronave de modo que a fonte de tensão 20 possa ser fornecida por um mecanismo gerador e a carga 30 pode ser um componente na aeronave, tal como para atuar um componente da aeronave tal como um flape ou o trem de pouso ou um componente dentro da aeronave tal como a instrumentação ou entretenimento durante o voo. O meio de comutação 40 pode ser um comutador individual, uma pluralidade de comutadores ou a circuito comutador de energia, por exemplo, tal como um controlador de energia de estado sólido. Um controlador de energia de estado sólido pode, por exemplo, compreender um ou mais dispositivos semicondutores conectados paralelamente. O circuito comutador 40 é usado para conectar a fonte de energia 20 a carga 30. A fonte de tensão 20 e o cabeamento ou a fiação associada terá uma indutância inerente 21. Da mesma maneira, a carga 30 e o cabeamento e a fiação associadas à mesma terão uma indutância inerente 31.
Um dispositivo de proteção 50, neste exemplo um dispositivo de proteção de tensão transiente, é fornecido através da fonte de tensão 20. Um detector 60 é fornecido em paralelo com o dispositivo de proteção 50 para à> 5
detectar a propriedade do surto de tensão produzida pela abertura do dispositivo de comutação 40. O detector 60 que pode ser fornecido como um hardware ou software detecta uma propriedade tal como um pico de tensão, duração, inclinação etc. Do surto de tensão que é usado para determinar uma 5 condição do dispositivo de proteção 50 tal como se o mesmo está trabalhando satisfatoriamente. A propriedade detectada também pode ser usada para determinar se há quaisquer problemas não ideais ou potenciais se desenvolvendo no dispositivo de proteção 50 ou em uma peça do circuito 10.
O dispositivo de comutação 40 pode, conforme explicado acima, 10 compreender um controlador de energia de estado sólido (SSPC) que pode compreender um ou uma pluralidade de dispositivos semicondutores conectados. Se este compreender uma pluralidade de dispositivos semicondutores conectados paralelamente, então os mesmos podem ser operados individualmente ou em qualquer combinação para obter um surto de 15 tensão.
A Figura 2 ilustra surtos de tensão no ponto T na Figura 1 produzido pelo fechamento e abertura do dispositivo de comutação 40 ilustrado na Figura 1. Como pode ser visto, quando o dispositivo de comutação 40 é fechado ou ligado em cerca de 250 με, a corrente através do dispositivo de 20 comutação 40 aumenta rapidamente para aquela fornecida pela fonte 20, nesse exemplo aproximadamente 100 amperes. Como também pode ser visto na Figura 2, conforme a corrente através do dispositivo de comutação 40 aumenta, um primeiro surto negativo 101 é percebido pelo detector 60. Quando o dispositivo de comutação 40 é aberto ou desligado, nesse exemplo um pouco 25 antes de 500 ps, um surto de tensão positiva 102 é percebido pelo detector 60.
O dispositivo protetor de tensão 50 não conduz quando o dispositivo de comutação 40 está fechado ou ligado. Este apenas conduz quando o dispositivo de comutação 40 é aberto ou desligado. Para um circuito CC1 o lado positivo do dispositivo protetor de tensão 50 é no ponto T de modo que este conduz quando o dispositivo de comutação 40 é aberto ou desligado o que gera o surto de tensão positiva 102.
Se o dispositivo de comutação 40 compreender uma pluralidade de comutadores, então os comutadores podem ser operados individualmente ou em qualquer combinação para obter um surto de tensão.
A Figura 3 ilustra um exemplo de um dispositivo protetor de tensão 50 que pode ser usado em um exemplo da presente invenção. Nesse exemplo, o dispositivo protetor de tensão 50 compreende um transorb (diodo supressor de transiente) que é similar a um diodo de Zener que pode ser adequado para um abastecimento CC 20.
A Figura 4a ilustra um dispositivo protetor de tensão 50 que compreende um transorb bidirecional que é similar aos dois diodos de Zener conectados de maneira reversa. Isso pode ser usado no circuito da Figura 1 15 com um abastecimento CA 20. Um dispositivo protetor de tensão CA alternativo que executa a mesma função é um Varistor de Óxido Metálico conforme mostrado na Figura 4b.
Embora o detector 60 possa detectar qualquer propriedade desejada do surto de tensão para determinar a condição do dispositivo de 20 proteção, foi constatado que a detecção do pico de tensão do surto fornece a indicação confiável da condição do dispositivo de proteção 50 e é também capaz de ser medido precisa e repetidamente. O pico de tensão do surto de tensão pode ser medido de qualquer maneira adequada, tal como pelo uso de um software ou hardware. A Figura 5 ilustra um hardware detector de tensão 25 de pico de surto adequado que pode ser usado em um exemplo da presente invenção. O detector de pico de tensão tem um resistor de carregamento 110 conectado em série com um diodo 111 e um capacitor 112 que é carregado pelo surto de tensão. A carga no capacitor 112 é medida no ponto P dessa i forma fornecendo uma indicação do pico de tensão do surto. O capacitor carregado 112 é então descarregado através do resistor 113 que é geralmente muito maior que o resistor de carregamento 110.
Um controlador adequado, tal como um microprocessador que 5 pode, por exemplo, ser fornecido dentro da disposição do detector 60 mostrado na Figura 1 ou dentro de outro eletrônico controlador associado com o circuito 10 pode ser usado para determinar a condição do dispositivo de proteção 50 com base na propriedade detectada do surto de tensão. Por exemplo, quando o pico de tensão detectado é medido, um controlador pode usar uma tabela de 10 consulta ou um algoritmo para determinar se o pico de tensão detectado está dentro de uma faixa predeterminada esperada de modo que o dispositivo protetor de tensão 50 pode ser considerado como estando trabalhando satisfatoriamente ou se o pico de tensão detectado está fora de uma faixa predeterminada esperada o que indica que o dispositivo protetor de tensão está 15 trabalhando insatisfatoriamente ou tem uma falha. Se a propriedade medida estiver abaixo ou acima da faixa predeterminada ou de um valor predeterminado, isso pode indicar a natureza da falha. Por exemplo, se um pico de tensão medido estiver abaixo de um valor predeterminado ou de uma faixa isso pode indicar um curto-circuito parcial no dispositivo protetor de
tensão 50. De modo oposto se um pico de tensão medido estiver acima de um valor predeterminado ou de uma faixa predeterminada isso pode indicar uma impedância elevada ou um circuito aberto no dispositivo protetor de tensão 50. Ademais, o quanto uma propriedade medida estiver acima ou abaixo de um valor predeterminado esperado ou de uma faixa isso também pode indicar o 25 quão sério uma falha é.
No exemplo de surto de tensão 102 mostrado na Figura 2, o pico do surto 102 é de cerca de 90 v. Circuitos e aplicações diferentes terão faixas determinadas diferentes para indicar uma operação satisfatória. Por exemplo, se um pico de tensão detectado estiver acima de 100 V ou abaixo 70 V, isso pode ser um indicativo de uma falha. Se um pico de tensão estiver acima ou abaixo do valor esperado, nesse caso 90 V, isso pode ser um indicativo de uma operação não ideal do circuito ou de um componente até mesmo se e dentro da faixa esperada e, portanto pode ser sugerido uma investigação adicional.
O exemplo da presente invenção descrita acima com referência a Figura 1 geralmente tem alguma indutância 21 no abastecimento de energia de entrada 20 e o cabeamento ou a fiação associado. Se essa indutância inerente
21 for muito pequena produzir um surto de tensão com propriedades mensuráveis, então um indutor adequado pode ser fornecido no cabeamento ou na fiação associados com uma fonte 20.
A Figura 6 ilustra um segundo exemplo de um circuito que ilustra um exemplo da presente invenção. Esse exemplo difere do circuito da Figura 1 pelo dispositivo protetor de tensão 50 que é fornecido entre a fonte 20 e a 15 carga de saída 30. Como no exemplo da Figura 1, o dispositivo de comutação 40 pode ser um único comutador ou uma pluralidade de comutadores. Se o dispositivo de comutação 40 for uma pluralidade de comutadores, a pluralidade de comutadores pode ser fornecida em paralelo e pode, por exemplo, ser uma pluralidade de dispositivos semicondutores conectados paralelamente, tal como 20 um controlador de energia de estado sólido (SSPC) usado para conectar a fonte 20 a carga 30. Como no exemplo da Figura 1, o dispositivo de proteção de tensão transiente 50 tem um detector 60 conectado através do mesmo em paralelo. Assim como anteriormente, o dispositivo de proteção pode ser testado pela medição de uma propriedade do surto de tensão produzido pela abertura 25 do dispositivo de comutação 40 ou pela abertura e pelo fechamento dos dispositivos semicondutores conectados paralelamente individualmente ou em qualquer combinação para determinar a condição do dispositivo de proteção 50. I Como nos exemplos mostrados na Figura 1, se há indutância inerente insuficiente no circuito para fornecer um surto de tensão grande o suficiente para fazer com que um dispositivo de proteção o conduza, então um indutor pode ser consequentemente adicionado.
Uma vantagem dos exemplos da presente invenção é a de que os
surtos de tensão produzidos são maiores do que aqueles que ocorrem nas correntes de carga normal e desse modo fornecem valores claramente mensuráveis que podem ser usados para determinar a condição do dispositivo de proteção, em particular se o mesmo tem uma falha ou não ou se é provável que desenvolva uma falha.
O tamanho do surto de tensão positiva 102 que é detectado para determinar a condição do dispositivo de proteção 50 depende da indutância L no circuito e a taxa de mudança de corrente dl/dt quando o dispositivo de comutação 40 é aberto. O tamanho do surto de tensão V na abertura do dispositivo de comutação 40 é dado pela seguinte equação
V=Lx dl/dt
A indutância inerente no circuito e a taxa de mudança de corrente típica na abertura do comutador foi geralmente detectada como sendo adequada para produzir um surto de tensão de tamanho suficiente para 20 medições claras e repetidas. No entanto, se requerido, surtos maiores de tensão podem ser produzidos quando requerido ou pela inclusão de um indutor L adicional no circuito ou pelo fornecimento de uma corrente mais alta I.
Conforme ilustrado na Figura 7, que corresponde a Figura 1 com a inclusão de um comutador de curto-circuito 120 na saída, uma corrente mais 25 alta, tipicamente de 5 a 10 vezes a corrente normal é fornecida quando o dispositivo de comutação 40 é fechado após fechamento prévio do comutador de curto-circuito 120, induzindo assim um surto de tensão consideravelmente maior para testar o dispositivo de proteção, até mesmo se a indutância de I 10
circuito L for muito baixa. Uma vantagem considerável do uso do curto-circuito de saída 120 é o de que o corrente muito maior que a corrente de carga normal pode ser usada para o teste sem a aplicação de uma tensão significante na carga de saída.
A Figura 8 mostra um circuito equivalente ao da Figura 6 também
fornecido com um pull-down (estabilização) de curto-circuito 120 na saída.
Embora os exemplos descritos acima mostrem o dispositivo de comutação 40 e o dispositivo de proteção 50 como componentes separados, estes poderiam ser combinados em um bloco de componente único. Por 10 exemplo, conforme mostrado na Figura 9, o dispositivo de comutação 40 pode incluir um ou mais transistores 41, tal como um ou mais transistores de efeito de campo ou MOSFETs. A função de proteção pode ser fornecida por dois pequenos diodos de Zener de baixo custo 51, 52 conectados entre a porta (G) e o dreno (D) de um ou de cada transistor 41. Esses diodos de Zener forçam o 15 transistor 41 a conduzir pesadamente quando um excesso de tensão é aplicado entre o dreno e a fonte prevenindo assim que essa tensão exceda a tensão de ruptura do transistor. Por meio de uma escolha apropriada de diodos de Zener, essa configuração fornece autoproteção efetiva contra o excesso de tensão através e ou cada transistor 41 da mesma maneira como com os 20 dispositivos protetores 50 ilustrados acima, enquanto ainda permanece capaz de ser testado com um detector como nos exemplos acima 60 conectado ao redor do mesmo ao dreno (D) e a fonte (S). O transistor 41 é ligado ou desligado por um sinal apropriado aplicado na porta (G) do transistor 41.
Apesar de exemplos terem sido descritos em detalhes acima, muitas variações podem ser feitas para esses exemplos sem se afastar da presente invenção. Por exemplo, o dispositivo de comutação 40 pode ser um comutador individual ou uma pluralidade de comutadores. Se usado com uma pluralidade de comutadores, este pode ser fornecido em paralelo e cada comutador pode ser um dispositivo de estado sólido de modo que o dispositivo de comutação 40 é um controlador de energia de estado sólido (SSPC). Exemplos da presente invenção podem ser usados em sistemas CC ou em sistemas CA. Se usado com um sistema CA e com o dispositivo de comutação 5 40 como uma pluralidade de dispositivos semicondutores, esses dispositivos semicondutores seriam comutadores CA e o dispositivo protetor de tensão seria bidirecional conforme mostrado na Figura 4a ou na Figura 4b e pode fornecer proteção simétrica negativa e positiva.

Claims (15)

1. MÉTODO DE TESTE DE UM DISPOSITIVO PROTETOR DE TENSÃO, em um circuito disposto para ser fornecido com uma fonte e uma carga, sendo que o método compreende: fornecer um detector em paralelo com o dispositivo de proteção; abrir um dispositivo de comutação fornecido no circuito; e detectar uma propriedade do surto de tensão causado pela taxa de mudança de corrente na indutância de circuito produzida pela abertura do dispositivo de comutação para determinar a condição do dispositivo de proteção.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que a condição do dispositivo de proteção é determinada pela determinação se a propriedade detectada do surto de tensão está dentro de uma faixa predeterminada esperada.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a condição do dispositivo de proteção é determinada pela determinação da diferença entre a propriedade detectada do surto de tensão e um valor predeterminado esperado.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a condição do dispositivo de proteção é determinada com base em se a propriedade detectada do surto de tensão está acima ou abaixo do valor predeterminado esperado ou da faixa predeterminada esperada.
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o pico do surto de tensão é detectado.
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que um curto-circuito é aplicado através de uma saída do circuito antes da abertura do dispositivo de comutação.
7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, incluindo o fornecimento de um indutor adicional no circuito com a finalidade de gerar um surto de tensão grande o suficiente para testar o dispositivo protetor de tensão quando o dispositivo de comutação é aberto.
8. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, para testar um dispositivo de proteção em um circuito que tem uma fonte e uma carga, sendo que o equipamento de teste para dispositivo de proteção compreende: um detector fornecido em paralelo com o dispositivo de proteção para detectar a propriedade do surto de tensão produzido pela abertura de um dispositivo de comutação fornecido no circuito; e um controlador para determinar a condição do dispositivo de proteção com base na propriedade detectada do surto de tensão produzido pela abertura do dispositivo de comutação.
9. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, de acordo com a reivindicação 7, em que o controlador determina a condição do dispositivo de proteção com base em se a propriedade detectada do surto de tensão produzido pela abertura do dispositivo de comutação está dentro de uma faixa predeterminada.
10. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, em que o controlador é disposto para determinar a condição do dispositivo de proteção com base em se a propriedade detectada do surto de tensão produzido pela abertura do comutador está acima ou abaixo de um valor predeterminado.
11. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, de acordo qualquer uma das reivindicações 8 a 10, em que o controlador é disposto para determinar a condição do dispositivo de proteção com base em quanto a propriedade detectada do surto de tensão produzido pela abertura do comutador está acima ou abaixo de um valor predeterminado ou de uma faixa.
12. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, de acordo qualquer uma das reivindicações 8 a 11, em que o detector está disposto para detectar o pico de tensão do surto de tensão.
13. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, de acordo qualquer uma das reivindicações 8 a 12, em que o dispositivo de comutação compreende uma pluralidade de comutadores.
14. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, de acordo com a reivindicação 13, em que os dispositivos de comutação são dispositivos semicondutores conectados em paralelo e dispostos para serem abertos ou fechados individualmente.
15. EQUIPAMENTO DE TESTE PARA DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO, de acordo qualquer uma das reivindicações 8 a 14, incluindo um curto-circuito disposto para ser aplicado através de uma saída do circuito antes da abertura do dispositivo de comutação.
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