DE102013104286A1 - Device and method for error arc detection - Google Patents

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Peter James Handy
Adrian Shipley
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Abstract

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerlichtbogens unter Verwendung eines Stromleiters (14) auf einer Leiterplatte (PCB) (10) geschaffen, der Energie von einer externen Energiequelle zu elektrischen Komponenten auf der Leiterplatte (10) liefert, indem ein Wert erfasst wird, der die Änderungsgeschwindigkeit eines durch den Stromleiter (14) fließenden Stroms kennzeichnet. Die Vorrichtung und das Verfahren können verwendet werden, um sowohl interne Fehler innerhalb der Leiterplatte (10) als auch externe Fehler außerhalb der Leiterplatte (10) zu detektieren.There is provided an apparatus and method for detecting a fault arc using a current conductor (14) on a printed circuit board (PCB) (10) that provides power from an external power source to electrical components on the circuit board (10) by detecting a value which characterizes the rate of change of a current flowing through the current conductor (14). The apparatus and method may be used to detect both internal faults within the circuit board (10) and external faults outside the circuit board (10).

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 1. Mai 2012 eingereichten britischen Patentanmeldung Nr. 12075347 , deren Offenbarung hierin durch Verweis mit aufgenommen ist. This application claims priority to those submitted on May 1, 2012 British Patent Application No. 12075347 the disclosure of which is incorporated herein by reference.

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG BACKGROUND TO THE INVENTION

Elektrische Schaltungen, wie beispielsweise diejenigen, die in Flugzeugluftfahrtsystemen verwendet werden, können eine relativ hohe Spannung verwenden und sind in der Lage, einen hohen Strom zu liefern. Es können elektrische Fehler, wie beispielsweise ein Fehlerlichtbogen, darin auftreten, und diese ermöglichen es, dass Strom entweder durch ein leitfähiges Medium fließt oder über ein nicht leitfähiges Medium von einem Leiter zu einem anderen springt. Die Fähigkeit, derartige Fehlerlichtbögen zu detektieren, ist wichtig, weil für den Fall, dass diese nicht schnell detektiert werden, aus Fehlerlichtbögen Kurzschlüsse, Fehlfunktionen und weitere Probleme in der durch die elektrischen Schaltungen versorgten Ausrüstung entstehen können. Electrical circuits, such as those used in aircraft airborne systems, can use a relatively high voltage and are capable of delivering high current. Electrical faults, such as a fault arc, may occur therein, and these allow current to either flow through a conductive medium or to jump from one conductor to another via a nonconductive medium. The ability to detect such arcing faults is important because if they are not detected quickly, arcing faults can cause short circuits, malfunctions and other problems in the equipment powered by the electrical circuits.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

In einer Ausführungsform enthält eine Leiterplatte (die auch als Platine oder gedruckte Schaltung, Printed Circuit Board (PCB) bezeichnet wird) mehrere elektrische Komponenten, einen Stromleiter, der eingerichtet ist, um mit einer externen Energieversorgung außerhalb der Leiterplatte gekoppelt zu sein und Energie zu den mehreren elektrischen Komponenten zu liefern, und einen Fehlerlichtbogendetektor, der einen ersten Lufttransformator enthält, der in der Nähe des Stromleiters angeordnet ist, um mit einem Magnetfeld gekoppelt zu sein, das durch einen durch den Stromleiter fließenden Strom erzeugt wird, und eine Ausgangsspannung, Vout, liefert, die zu der Änderungsgeschwindigkeit des Stroms, dI/dt, der durch den Stromleiter fließt, proportional ist. In one embodiment, a printed circuit board (also referred to as a printed circuit board (PCB)) includes a plurality of electrical components, a power conductor configured to be coupled to an external power supply external to the circuit board, and power to a plurality of electrical components, and a fault arc detector including a first air transformer disposed in the vicinity of the conductor to be coupled to a magnetic field generated by a current flowing through the conductor, and an output voltage, Vout, which is proportional to the rate of change of current, dI / dt, flowing through the conductor.

In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerlichtbogens in einem Stromleiter auf einer Leiterplatte ein Erfassen eines Wertes, der die Änderungsgeschwindigkeit eines durch den Stromleiter fließenden Stroms kennzeichnet, durch einen Lufttransformator, der auf der Leiterplatte angeordnet ist, und Feststellen eines Fehlerlichtbogenzustands auf der Basis des erfassten Wertes. In another embodiment, a method for detecting an arc of error in a conductor on a printed circuit board includes detecting a value indicative of the rate of change of a current flowing through the conductor through an air transformer disposed on the circuit board and detecting a fault arc condition on the circuit Basis of the recorded value.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

In den Zeichnungen: In the drawings:

1A und 1B zeigen schematische Darstellungen einer Leiterplatte (PCB) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1A and 1B show schematic representations of a printed circuit board (PCB) according to an embodiment of the invention.

2A zeigt eine schematische Darstellung beispielhafter Spulen, die bei der Leiterplatte nach 1 verwendet werden können. 2A shows a schematic representation of exemplary coils, which in the circuit board after 1 can be used.

2B veranschaulicht ein vereinfachtes Äquivalenzschaltbild von 2A, das eine Auswertung der elektromagnetischen Kopplungsparameter der Spule gestattet. 2 B illustrates a simplified equivalent circuit diagram of 2A which allows an evaluation of the electromagnetic coupling parameters of the coil.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Prüfschaltungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 shows a schematic representation of an exemplary test circuit configuration according to an embodiment of the invention.

4A veranschaulicht eine graphische Darstellung des durch einen seriellen Fehlerlichtbogen in der in 3 veranschaulichten Schaltung laufenden Stroms, und 4B veranschaulicht eine graphische Darstellung des Ansprechverhaltens der verstärkten Luftspulenausgangsspannung. 4A FIG. 12 illustrates a graphical representation of the fault due to a serial fault arc in FIG 3 illustrated circuit current, and 4B Figure 4 illustrates a graphical representation of the response of the amplified air coil output voltage.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION

Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Verwendung eines auf einer Leiterplatte (PCB) realisierten kernlosen Lufttransformators, um die schnelle Stromänderungsgeschwindigkeit (dI/dt) zu erfassen, die, um ein nicht beschränkendes Beispiel anzugeben, in Speiseleitungen zur Energieverteilung in Flugzeugen, während serieller und paralleler Fehlerlichtbogenereignisse erzeugt werden können. In historischen Fehlerlichtbogendetektionssystemen sind hardwarebasierte Widerstand-Kondensator-Differenzierer verwendet worden, um das dI/dt von einer Ausgangsstrommessschaltung einer Halbleiter-Leistungssteuerung (Solid State Power Controller, SSPC) zu bestimmen. SSPCs sind gewöhnlich ausgelegt, um etwa 600% ihrer Nennströme einzulesen, um in der vorgesehenen Umgebung zu funktionieren. Fehlerlichtbögen bei hohen Spannungen rufen Stromstörungen in der Größenordnung von lediglich 5% des Nennstroms hervor. Somit kann es schwierig sein, die Fehlerlichtbogenstörung von dem allgemeinen Rauschen der Schaltung zu trennen. SSPCs verwenden häufig Shunt-Widerstände als ein Mittel zur Messung des durch ihre Anschlüsse fließenden Stroms, und die Shunt-Widerstände sind entsprechend dem vorstehenden Bereich bemessen, was bedeutet, dass das zur Fehlerlichtbogendetektion verfügbare Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt ist. Shunt-Widerstände funktionieren gut in Niederspannungsanwendungen, verlieren jedoch ihre Fähigkeit, die Fehlerlichtbogenstörung von dem allgemeinen Rauschen der Schaltung zu unterscheiden, wenn die Spannung steigt. Diese Schwierigkeit kann mit Blick auf spezielle Beispiele veranschaulicht werden. Embodiments of the invention include the use of a coreless air transformer implemented on a printed circuit board (PCB) to detect the rapid rate of change of current (dI / dt), as a non-limiting example, in power distribution feeders in aircraft during serial and parallel fault arc events can be generated. Historical arc fault detection systems use hardware-based resistor-capacitor differentiators to determine the dI / dt of an output current sense circuit of a solid state power controller (SSPC). SSPCs are typically designed to read in about 600% of their rated currents to operate in the intended environment. Fault arcs at high voltages cause current disturbances on the order of only 5% of the rated current. Thus, it may be difficult to separate the fault arc fault from the general noise of the circuit. SSPCs often use shunt resistors as a means of measuring the current flowing through their terminals, and the shunt resistors are sized according to the above range, which means that the signal-to-noise ratio available for error arc detection is limited. Shunt resistors work well in low voltage applications, but lose their ability to distinguish the arc fault from the general noise of the circuit as the voltage increases. This difficulty can be illustrated by looking at specific examples.

In Hochspannungssystemen wird die Änderung des Ausgangsstroms aufgrund eines seriellen Fehlerlichtbogens gemäß der Gleichung verringert: deltaI = (VARC/VLINE)·ILOAD (1) In high voltage systems, the change in output current due to a serial fault arc is reduced according to the equation: deltaI = (VARC / VLINE) · ILOAD (1)

In der vorgesehenen Umgebung hat ein typisches Fehlerlichtbogenereignis ein 20-Volt-Signal zur Folge. In einem 28-Volt-DC-System ergibt die Reduktion des Stroms während eines 20-Volt seriellen Fehlerlichtbogenereignisses die folgende Beziehung: deltaI / ILOAD = 20 / 28 = 0,714 = 71,4%. In einem 270-Volt-DC-System ergibt die Stromreduktion während eines ähnlichen 20-Volt seriellen Fehlerlichtbogenereignisses jedoch die folgende Beziehung: deltaI / ILOAD = 20 / 270 = 0,074 = 7,4%. In einem typischen Stromüberwachungssystem innerhalb einer SSPC umfasst der Messbereich gewöhnlich 0% bis 600% des Nennstroms. Typische Lasten, die an SSPCs angewandt werden, werden auf ungefähr 75% des Nennstromwertes herabgesetzt, so dass folglich die Stromänderung aufgrund eines seriellen Fehlerlichtbogens unter der Annahme einer Leitungsspannung von 270 Volt DC 7,4% des 75%-igen Laststroms beträgt und lediglich einen Stromwert von 5,6% des 600%-igen vollen Skalenbereichs darstellt. Im Unterschied hierzu beträgt der herabgesetzte Laststrom in dem 28-Volt-DC-System 53,6%, was fast 10 Mal höher ist. Der Stromwert von 5,6% im Verhältnis zu dem 600%-Bereich beträgt nur 0,93% des vollen 600%-Skalenbereichs im Vergleich zu 8,9% für das 28-Volt-System. Eine derartige Stromänderung von 0,93% aufgrund des seriellen Fehlerlichtbogens liegt in der gleichen Größenordnung wie die der Genauigkeit des Stromüberwachungssystems innerhalb der SSPC. Die Änderung für das 28-Volt-System ist um eine Größenordnung höher. Obwohl somit das Fehlerlichtbogenereignis in einem 28-Volt-DC-System mit dem Shunt-Widerstand leicht bestimmt werden kann, gilt dies nicht für das Fehlerlichtbogenereignis in dem 270-Volt-DC-System. In the intended environment, a typical fault arc event results in a 20 volt signal. In a 28 volt DC system, the reduction of current during a 20 volt serial arc event gives the following relationship: delta I / ILOAD = 20/28 = 0.714 = 71.4%. However, in a 270 volt DC system, the current reduction during a similar 20 volt serial arc event gives the following relationship: delta I / ILOAD = 20/270 = 0.074 = 7.4%. In a typical current monitoring system within an SSPC, the measurement range usually ranges from 0% to 600% of the rated current. Typical loads applied to SSPCs are reduced to approximately 75% of the rated current value, so that the current change due to a serial fault arc assuming a line voltage of 270 volts DC is 7.4% of the 75% load current and only one Current value of 5.6% of the 600% full scale range. In contrast, the reduced load current in the 28 volt DC system is 53.6%, which is almost 10 times higher. The current value of 5.6% relative to the 600% range is only 0.93% of the full 600% scale range compared to 8.9% for the 28 volt system. Such a current change of 0.93% due to the serial fault arc is of the same order of magnitude as the accuracy of the current monitoring system within the SSPC. The change for the 28 volt system is an order of magnitude higher. Thus, although the arc fault event can be readily determined in a 28 volt DC system with the shunt resistor, this does not apply to the fault arc event in the 270 volt DC system.

Die Informationen, die für die Zwecke der Fehlerlichtbogendetektion erforderlich sind, sind lediglich der AC-Gehalt des DC-Signals, das Leistung zu der gegebenen Last liefert. Folglich kann der DC-Gehalt des Signals ignoriert werden, und es kann die AC-Kopplungseigenschaft des Transformators genutzt werden. Aufgrund der hohen DC-Strompegel in dem System kann ein typischer eisenkernhaltiger Stromtransformator aufgrund des Problems der Kernsättigung nicht verwendet werden. Der auf einer Leiterplatte (PCB) realisierte kernlose Luftstromtransformator wird nicht gesättigt und löst dieses Problem folglich, indem er jegliche DC-Stromkomponenten ignoriert und unmittelbar dI/dt liefert. The information required for the purposes of error arc detection is merely the AC content of the DC signal that provides power to the given load. Consequently, the DC content of the signal can be ignored, and the AC coupling characteristic of the transformer can be utilized. Due to the high DC current levels in the system, a typical core-containing current transformer can not be used due to the problem of core saturation. The coreless air-flow transformer implemented on a printed circuit board (PCB) does not saturate and thus solves this problem by ignoring any DC current components and supplying immediate dI / dt.

Die Erfindung liefert eine Lösung zur Bestimmung von Fehlerlichtbogenereignissen in Hochspannungsumgebungen. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in 1A in dem Zusammenhang mit einer Leiterplatte bzw. gedruckten Schaltung (PCB) 10 veranschaulicht, die eine Platine 12 enthalten kann, die mehrere (der Klarheit wegen nicht veranschaulichte) elektrische Komponenten, einen Stromleiter 14 und einen Fehlerlichtbogendetektor 16 aufweist. Die Platine 12 kann aus einem beliebigen geeigneten Material, wie beispielsweise einem Substrat oder Laminat erzeugt sein, das im Wesentlichen thermisch nicht leitfähig ist. Auf der Platine 12 können verschiedene Bauteile, einschließlich eines Speichers, eines Mikroprozessors 11 und weiterer elektrischer Komponenten 13 (z.B. Widerstände, Dioden und Kondensatoren) montiert sein. The invention provides a solution for determining arc fault events in high voltage environments. An embodiment of the invention is in 1A in the context of a printed circuit board (PCB) 10 Illustrates a circuit board 12 may contain a plurality of (not illustrated for clarity) electrical components, a conductor 14 and a fault arc detector 16 having. The board 12 may be made of any suitable material, such as a substrate or laminate, that is substantially non-thermally conductive. On the board 12 can be various components, including a memory, a microprocessor 11 and other electrical components 13 be mounted (eg resistors, diodes and capacitors).

Der Stromleiter 14 kann eine Sammelschiene oder irgendeine andere Art eines Leiters sein, der auf der Platine 12 vorgesehen ist. Für anschaulichte Zwecke ist der Stromleiter 14 als eine Sammel- bzw. Stromschiene veranschaulicht. Der Stromleiter 14 kann konfiguriert sein, um mit einer für die Leiterplatte 10 externen Energie- bzw. Spannungsversorgung (nicht veranschaulicht) gekoppelt zu sein, um Leistung zu den mehreren elektrischen Komponenten zu liefern, die sich auf der Platine 12 befinden. Die externe Spannungsquelle kann wenigstens 60 Volt aufweisen, und es ist vorgesehen, dass sie eine höhere Spannung, einschließlich wenigstens 220 Volt aufweist. The conductor 14 can be a busbar or any other type of conductor on the board 12 is provided. For illustrative purposes is the power conductor 14 as a bus bar. The conductor 14 can be configured to work with one for the circuit board 10 external power supply (not illustrated) to provide power to the multiple electrical components residing on the board 12 are located. The external voltage source may be at least 60 volts and is intended to have a higher voltage, including at least 220 volts.

Der Fehlerlichtbogendetektor 16 ist veranschaulicht, wie er einen ersten (eisenkernlosen) Lufttransformator 20, der in der Nähe des Stromleiters 14 angeordnet ist, und einen zweiten Lufttransformator 22 enthält, der in Reihe zu dem ersten Lufttransformator 20 geschaltet bzw. verdrahtet ist. Der Fehlerlichtbogendetektor 16 kann ferner eine Signalverarbeitungsschaltung oder eine Fehlerlichtbogendetektionsschaltung 21 enthalten. Es ist vorgesehen, dass die Fehlerlichtbogendetektionsschaltung 21 eine Ausgabe zu dem Mikroprozessor 11 liefern kann und der Mikroprozessor 11 das zugeführte Signal verwenden kann um festzustellen, ob ein Fehlerlichtbogenereignis vorliegt. Alternativ kann die Fehlerlichtbogendetektionsschaltung 21 mit dem Mikroprozessor 11 gekoppelt sein oder einen Teil des Mikroprozessors 11 bilden, und sie kann einen Algorithmus implementieren, um auf der Basis des erfassten Wertes das beginnende Auftreten eines Fehlerlichtbogens zu detektieren und einen Fehlerlichtbogenzustand zu bestimmen. The error arc detector 16 is illustrated as he has a first (ironless) air transformer 20 standing near the power conductor 14 is arranged, and a second air transformer 22 contains, in series with the first air transformer 20 switched or wired. The error arc detector 16 Further, a signal processing circuit or a fault arc detection circuit 21 contain. It is provided that the error arc detection circuit 21 an output to the microprocessor 11 can deliver and the microprocessor 11 can use the supplied signal to determine if there is a fault arc event. Alternatively, the error arc detection circuit 21 with the microprocessor 11 be coupled or part of the microprocessor 11 and may implement an algorithm to detect the incipient occurrence of a fault arc and determine an arc fault condition based on the detected value.

Der erste und der zweite Lufttransformator 20 und 22 können in der Nähe des Stromleiters 14 angeordnet sein, um konstruktiv positive und negative Komponenten eines Magnetfeldes, das durch den durch den Stromleiter 14 fließenden Strom erzeugt wird, hinzuzufügen. Sowohl der erste als auch der zweite Lufttransformator 20 und 22 können eine an bzw. in der Platine realisierte Spule enthalten. Wie deutlicher aus 1B ersehen werden kann, ist der erste Lufttransformator 20 veranschaulicht, wie er eine erste Spule enthält, die durch eine Wicklung 24 gebildet ist, und der zweite Lufttransformator 22 ist veranschaulicht, wie er eine zweite Spule enthält, die durch eine Wicklung 26 gebildet ist, die in der gleichen Drehrichtung wie die Wicklung 24 gewickelt ist. Der erste und der zweite Lufttransformator 20 und 22 sind auf diese Weise gegenphasig verdrahtet bzw. geschaltet, um das konstruktive Hinzufügen der positiven und negativen Komponenten des Magnetfeldes während eines Betriebs zu bewirken. The first and the second air transformer 20 and 22 can be near the power conductor 14 be arranged to constructively positive and negative components of a magnetic field passing through the conductor 14 flowing current is generated, add. Both the first and the second air transformer 20 and 22 may contain a coil realized on or in the board. How clearer 1B can be seen is the first air transformer 20 illustrates how it contains a first coil through a winding 24 is formed, and the second air transformer 22 is illustrated as it contains a second coil through a winding 26 is formed, in the same direction as the winding 24 is wound. The first and the second air transformer 20 and 22 are wired antiphase in this manner to effect the constructive addition of the positive and negative components of the magnetic field during operation.

Die Wicklungen 24 und 26 sind veranschaulicht, wie sie Bahnen auf der Platine 12 in Form einer Spirale enthalten, was besser in 2A veranschaulicht ist. Die Wicklungen, die die immer kleiner werdende rechteckige Spirale bilden, können der Summe vieler geometrisch ähnlicher Rechtecke mit anderen Abmessungen entsprechen, wie durch die Spule 30 in 2B veranschaulicht. Es ist ferner vorgesehen, dass jede Spule mehrere Spiralen enthalten kann, die auf unterschiedlichen Ebenen in der Platine 12 der Leiterplatte 10 angeordnet sein können. Es ist zu beachten, dass in den vorstehend beschriebenen Figuren für die Zwecke der Einfachheit nur eine einzige Spule veranschaulicht ist. Die Öffnungen 32 zeigen, wo mehrere Spiralen auf mehreren Ebenen der Leiterplatte 10 in Reihe geschaltet bzw. verdrahtet sein können. The windings 24 and 26 are illustrated as they trajectories on the board 12 in the form of a spiral, which is better in 2A is illustrated. The windings forming the ever decreasing rectangular spiral may be the sum of many geometrically similar rectangles of other dimensions, such as the coil 30 in 2 B illustrated. It is further contemplated that each coil may include multiple spirals at different levels in the board 12 the circuit board 10 can be arranged. It should be noted that in the figures described above, for purposes of simplicity, only a single coil is illustrated. The openings 32 show where multiple spirals on multiple levels of the circuit board 10 can be connected in series or wired.

Der Fehlerlichtbogendetektor 16 kann ferner ein Relais oder eine SSPC (nicht veranschaulicht) enthalten, das bzw. die auf den Fehlerlichtbogendetektor 16 anspricht. Der Fehlerlichtbogendetektor 16 kann eine (nicht veranschaulichte) Schaltung enthalten, die ein Relais oder eine SSPC (nicht veranschaulicht) steuert, um den Stromleiter 14 von der Spannungsversorgung zu entkoppeln, wenn ein Fehlerlichtbogen erfasst wird. Ein derartiges Relais kann einen Trennschalter bzw. Unterbrecher oder irgendeinen anderen geeigneten Mechanismus zur Entkopplung des Stromleiters 14 von der Energiequelle enthalten, wenn ein Fehlerlichtbogen auftritt, wobei die spezielle Art und Weise, in der die Relais-Aktion erreicht wird, das hierin beschriebene System nicht beeinflusst. The error arc detector 16 may further include a relay or an SSPC (not illustrated) that is incident on the fault arc detector 16 responds. The error arc detector 16 may include a circuit (not shown) that controls a relay or SSPC (not illustrated) to connect the power conductor 14 from the power supply when an arc fault is detected. Such a relay may include a circuit breaker or any other suitable mechanism for decoupling the conductor 14 from the power source when a fault arc occurs, and the particular manner in which the relay action is achieved does not affect the system described herein.

Im Betrieb kann ein Fehlerlichtbogen in dem Stromleiter 14 durch den Fehlerlichtbogendetektor 16 detektiert werden. Das Auftreten des Fehlerlichtbogens wird durch den Fehlerlichtbogendetektor 16 erfasst, der vorzugsweise die Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Stroms I in dem Stromleiter 14 als Funktion der Zeit t, oder dI/dt, misst. Während des Betriebs kann der Lufttransformator mit einem Magnetfeld gekoppelt sein (wie durch Pfeile B in 1B veranschaulicht), das durch einen schematisch als Pfeil 28 veranschaulichten Strom erzeugt wird, der durch den Stromleiter 14 fließt, und eine Ausgangsspannung, Vout, liefern, die zu der Änderungsgeschwindigkeit des Stroms, dI/dt, der durch den Stromleiter 14 fließt, proportional ist. In der veranschaulichten Ausführungsform kann die Spannung über dem ersten und dem zweiten Lufttransformator 20 und 22 Vout sein. Der Fehlerlichtbogendetektor 16 kann Vout empfangen und daraus eine Gegenwart bzw. das Vorliegen eines Fehlerlichtbogens feststellen. Insbesondere kann der Fehlerlichtbogendetektor 16 einen Wert erfassen, der die Änderungsrate des durch den Stromleiter 14 fließenden Stroms kennzeichnet, und basierend auf dem erfassten Wert einen Fehlerlichtbogenzustand feststellen. Die Feststellung eines Fehlerlichtbogens kann basierend darauf vorgenommen werden, ob der erfasste Wert einen zulässigen maximalen Änderungsgeschwindigkeitswert überschreitet. Es wird verstanden, dass eine derartige Bestimmung leicht abgewandelt werden kann, um einem Positiv/Negativ-Vergleich oder einem Wahr/Falsch-Vergleich zu genügen. Zum Beispiel kann ein „weniger als ein Schwellenwert“-Vergleich leicht durch Anwendung eines „größer als“-Tests erfüllt werden, wenn die Daten numerisch invertiert werden. Der zulässige maximale Änderungsgeschwindigkeitswert kann experimentell ermittelt werden. In operation, a fault arc in the conductor 14 through the error arc detector 16 be detected. The occurrence of the error arc is detected by the error arc detector 16 detects, preferably the rate of change of the electric current I in the conductor 14 as a function of time t, or dI / dt. During operation, the air transformer may be coupled to a magnetic field (as indicated by arrows B in FIG 1B illustrated) by a schematic arrow 28 illustrated current generated by the conductor 14 flows, and provide an output voltage, Vout, corresponding to the rate of change of the current, dI / dt, passing through the current conductor 14 flows, is proportional. In the illustrated embodiment, the voltage across the first and second air transformers 20 and 22 Be vout. The error arc detector 16 can receive Vout and determine therefrom a presence or the presence of a fault arc. In particular, the error arc detector can 16 capture a value representing the rate of change of the current conductor 14 indicates a flowing current and, based on the detected value, detects a fault arc condition. The determination of an error arc may be made based on whether the detected value exceeds a maximum permissible change speed value. It will be understood that such a determination can be easily modified to satisfy a positive / negative comparison or a true / false comparison. For example, a "less than threshold" comparison can be easily satisfied by using a "greater than" test when the data is numerically inverted. The permissible maximum rate of change value can be determined experimentally.

Um einen Fehlerlichtbogen festzustellen, erfasst der Fehlerlichtbogendetektor 16 den Wert von dem ersten und dem zweiten Lufttransformator 20 und 22, um konstruktiv positive und negative Komponenten eines Magnetfeldes hinzuzufügen, das durch den durch den Stromleiter 14 fließenden Strom erzeugt wird. Die Übertragungsfunktion kann unter den gegebenen Parametern zwischen dem Sammelschienenstromdifferential dI/dt und der Spulenausgangsspannung Vout hergeleitet werden. Die Spulenspannung Vcoil kann unter Verwendung der Gleichungen berechnet werden:

Figure 00100001

worin Vout = Spannung über den beiden in Reihe geschalteten Spulen;
dI/dt = Änderungsgeschwindigkeit des Stroms durch die Stromschiene;
K = die Anzahl von Spulen;
N = die Anzahl der Windungen;
a = Abstand von dem Mittelpunkt der Stromschiene zu dem Rand der Spule;
w = Weite der Spule;
l = Länge der Spule; und
s = Abstand zwischen Windungen in jeder Spule. To detect a fault arc, the fault arc detector detects 16 the value of the first and second air transformers 20 and 22 to constructively add positive and negative components of a magnetic field through the current conductor 14 flowing electricity is generated. The transfer function can be derived under the given parameters between the busbar current differential dI / dt and the coil output voltage Vout. The coil voltage Vcoil can be calculated using the equations:
Figure 00100001

where Vout = voltage across the two series-connected coils;
dI / dt = rate of change of the current through the bus bar;
K = the number of coils;
N = the number of turns;
a = distance from the center of the bus bar to the edge of the coil;
w = width of the coil;
l = length of the coil; and
s = distance between turns in each coil.

Für die beispielhafte Ausführungsform mit Doppelspule, fünf Windungen, wie sie in den 1A und 1B veranschaulicht ist, kann die Reihe wie folgt ausgewertet werden:

Figure 00110001
For the exemplary dual coil embodiment, five turns as shown in FIGS 1A and 1B is illustrated, the series can be evaluated as follows:
Figure 00110001

Das Spannungssignal ist für die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms im Verlauf der Zeit kennzeichnend, und der Fehlerlichtbogendetektor 16 kann auf diese Weise feststellen, ob die Änderungsgeschwindigkeit über einer zugelassenen maximalen Änderungsgeschwindigkeit liegt. The voltage signal is indicative of the rate of change of the current over time, and the error arc detector 16 In this way, it can determine whether the rate of change is above an allowed maximum rate of change.

Je mehr Windungen pro Spule und je mehr Schichten bzw. Ebenen pro Spule verwendet werden, desto größer ist auch die Kopplung zwischen dem dI/dt und der Spulenausgangsspannung Vout. Die Beziehung zwischen der Spulenlänge und der Ausgangsspannung ist linear, jedoch ist die Beziehung von Vout zu der Spulenweite proportional zu derjenigen des Verhältnisses ln(b/a), so dass eine größere Zunahme von w oder b (1B) erforderlich ist, um irgendeine wahrnehmbare Zunahme der Kopplung zu ergeben, so dass folglich eine Maximierung der Länge der Spule erwünscht ist, falls möglich. The more turns per coil and the more layers or planes per coil are used, the greater the coupling between the dI / dt and the coil output voltage Vout. The relationship between the coil length and the output voltage is linear, but the relationship of Vout to the coil width is proportional to that of the ratio ln (b / a), so that a larger increase of w or b (FIG. 1B ) is required to give any appreciable increase in coupling, thus maximizing the length of the coil is desired, if possible.

3 veranschaulicht eine beispielhafte Prüfkonfigurationsschaltung 100 mit einer Vout-Ausgabe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der Prüfkonfigurationsschaltung 100 wurden Doppelluftspulen mit den Abmessungen l = 38mm, w = 5mm, a = 10mm, folglich b = 15mm, getestet. Der serielle Fehlerlichtbogen wurde auf einem Vibrationstisch, der eine lose Anschlussverbindungskonfiguration enthält, unter einer willkürlichen Vibration gemäß den Standards SAE AS5692 erzeugt. Die Prüfung wurde bei einer Leitungsspannung von 270 Volt DC durchgeführt. Die graphische Darstellung in 4A veranschaulicht den durch einen seriellen Fehlerlichtbogen in der Schaltung 100, wie sie in 3 veranschaulicht ist, laufenden Strom, wenn ein loser Anschluss erschüttert wird, während er unter Spannung steht. Die graphische Darstellung in 4B veranschaulicht die Antwort der verstärkten Ausgangsspannung der Luftspule, die einen negativen Impuls während des negativen dI/dt-Ereignisses zeigt, das durch das Auftreffen eines seriellen Fehlerlichtbogens hervorgerufen ist. Die Amplitude des Impulses ist während des Fehlerlichtbogens um den Faktor 10 verstärkt. 3 illustrates an example test configuration circuit 100 with a Vout output according to an embodiment of the invention. In the test configuration circuit 100 Double air coils with dimensions l = 38mm, w = 5mm, a = 10mm, consequently b = 15mm, were tested. The serial arc fault was generated on a vibrating table containing a loose terminal connection configuration under an arbitrary vibration according to the standards SAE AS5692. The test was carried out at a line voltage of 270 volts DC. The graphic representation in 4A illustrates this through a serial fault arc in the circuit 100 as they are in 3 is illustrated running current when a loose terminal is shaken while it is energized. The graphic representation in 4B illustrates the response of the amplified air coil output voltage, which shows a negative pulse during the negative dI / dt event caused by the occurrence of a serial fault arc. The amplitude of the pulse is amplified by a factor of 10 during the fault arc.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ergeben vielfältige Vorteile, zu denen die Fähigkeit gehört, serielle und/oder parallele Fehlerlichtbögen in AC- und DC-Systemen zu detektieren, und sind insbesondere zur Detektion serieller Fehlerlichtbögen in Hochspannungssystemen nützlich. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können zur Detektion von für die Leiterplatte sowohl internen als auch externen Fehlerlichtbögen verwendet werden. Der Luftstromtransformator stellt eine Einrichtung zur Bestimmung des dI/dt-Signals in einer Speiseleistung zur Stromverteilung bereit, ohne den Absolutstrom messen zu müssen und ohne anschließend den Zwang einer Differentiation dieses Signals zu haben. Die vorstehenden Ausführungsformen ergeben ferner einen verbesserten Dynamikbereich des dI/dt-Signals im Vergleich zu einer Differentiation eines absoluten Stromsignals. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bieten ferner eine galvanische Trennung des Strommesssystems, was eine Flexibilität in jeder erforderlichen Signalverarbeitungsschaltung ermöglicht. In Hochspannungssystemen muss der Stromerfassungsverstärker für den verwendeten Sensor nicht auf der Netzspannung schweben, wie dies ein Shunt-Stromsensor auf der hohen Seite tun müsste. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können AC-Komponenten von DC-Strömen hoher Stärke ohne Sättigung erfassen und sorgen für eine gute Unterdrückung von Nahbereichs-Störquellen, wie sie in Flugzeugumgebungen vorgefunden werden. Die Lösung erfordert sehr wenige periphere Komponenten und lässt sich im Vergleich zu alternativen Lösungen kostengünstig implementieren. The embodiments described above provide numerous advantages, including the ability to detect serial and / or parallel fault arcs in AC and DC systems, and are particularly useful for detecting serial arc faults in high voltage systems. The embodiments described above may be used to detect both internal and external fault arcs for the printed circuit board. The air-flow transformer provides a means for determining the dI / dt signal in a power distribution feed power without having to measure the absolute current and without subsequently having to force differentiation of this signal. The above embodiments further provide an improved dynamic range of the dI / dt signal as compared to a differentiation of an absolute current signal. The embodiments described above further provide galvanic isolation of the current measuring system, allowing flexibility in any required signal processing circuit. In high-voltage systems, the current sense amplifier for the sensor used does not have to float on the line voltage, as a shunt current sensor on the high side would have to do. The embodiments described above can detect AC components of high-intensity DC currents without saturation, and provide good suppression of near-end interference sources as found in aircraft environments. The solution requires very few peripheral components and can be implemented cost-effectively compared to alternative solutions.

Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch einem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten. This written description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, including the creation and use of any devices or systems, and performing any incorporated methods , The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal languages of the claims.

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerlichtbogens unter Verwendung eines Stromleiters 14 auf einer Leiterplatte (PCB) 10 geschaffen, der Energie von einer externen Energiequelle zu elektrischen Komponenten auf der Leiterplatte 10 liefert, indem ein Wert erfasst wird, der die Änderungsgeschwindigkeit eines durch den Stromleiter 14 fließenden Stroms kennzeichnet. Die Vorrichtung und das Verfahren können verwendet werden, um sowohl interne Fehler innerhalb der Leiterplatte 10 als auch externe Fehler außerhalb der Leiterplatte 10 zu detektieren. It is an apparatus and method for detecting a fault arc using a conductor 14 on a printed circuit board (PCB) 10 created, the energy from an external source of energy to electrical components on the circuit board 10 provides by detecting a value representing the rate of change of a current through the conductor 14 featuring flowing electricity. The device and method can be used to detect both internal faults within the circuit board 10 as well as external errors outside the circuit board 10 to detect.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
Leiterplatte, gedruckte Schaltung (PCB) Printed circuit board, printed circuit board (PCB)
11 11
Mikroprozessor microprocessor
12 12
Platine circuit board
13 13
elektrische Komponenten electric components
14 14
Stromleiter conductor
16 16
Fehlerlichtbogendetektor Arc fault detector
20 20
erster Lufttransformator first air transformer
21 21
Fehlerlichtbogendetektionsschaltung Arc fault detection circuit
22 22
zweiter Lufttransformator second air transformer
24 24
Wicklung winding
26 26
Wicklung winding
28 28
Pfeil arrow
30 30
Spule Kitchen sink
32 32
Öffnungen openings
100100
Konfigurationsschaltung  configuration circuit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • GB 12075347 [0001] GB 12075347 [0001]

Claims (22)

Leiterplatte, die aufweist: mehrere elektrische Komponenten; einen Stromleiter, der konfiguriert ist, um mit einer für die Leiterplatte externen Energieversorgung gekoppelt zu sein und Energie zu den mehreren elektrischen Komponenten zu liefern; und einen Fehlerlichtbogendetektor, der einen ersten Lufttransformator aufweist, der in der Nähe des Stromleiters angeordnet ist, um mit einem Magnetfeld gekoppelt zu sein, das durch einen durch den Stromleiter fließenden Strom erzeugt wird, und eine Ausgangsspannung, Vout, liefert, die zu der Änderungsgeschwindigkeit des Stroms, dI/dt, der durch den Stromleiter fließt, proportional ist. Printed circuit board comprising: several electrical components; a power conductor configured to be coupled to a power supply external to the circuit board and to provide power to the plurality of electrical components; and an error arc detector having a first air transformer disposed proximate the conductor for coupling to a magnetic field generated by a current flowing through the conductor and providing an output voltage, Vout, indicative of the rate of change of the Current, dI / dt, which flows through the conductor is proportional. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der Fehlerlichtbogendetektor ferner eine Signalverarbeitungsschaltung aufweist, die Vout empfängt und eine Gegenwart eines Fehlerlichtbogens feststellt. The printed circuit board of claim 1, wherein the error arc detector further comprises a signal processing circuit that receives Vout and detects a presence of an error arc. Leiterplatte nach Anspruch 2, die ferner wenigstens entweder ein Relais und/oder eine Halbleiter-Leistungssteuerung aufweist, das bzw. die den Stromleiter von der Energieversorgung entkoppelt, wenn ein Fehlerlichtbogen festgestellt wird. The printed circuit board of claim 2, further comprising at least one of a relay and a semiconductor power controller that decouples the power conductor from the power supply when a fault arc is detected. Leiterplatte nach einen beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehlerlichtbogendetektor ferner einen zweiten Lufttransformator aufweist, der in Reihe und gegenphasig in Bezug auf den ersten Lufttransformator geschaltet ist und wobei die Spannung über dem ersten und dem zweiten Lufttransformator Vout ist. A printed circuit board according to any one of the preceding claims, wherein the error arc detector further comprises a second air transformer connected in series and out of phase with respect to the first air transformer and wherein the voltage across the first and second air transformers is Vout. Leiterplatte nach Anspruch 4, wobei der erste und der zweite Lufttransformator in der Nähe des Stromleiters angeordnet sind, um konstruktiv positive und negative Komponenten des Magnetfeldes, das durch den durch den Stromleiter fließenden Strom erzeugt wird, hinzuzufügen. The printed circuit board of claim 4, wherein the first and second air transformers are disposed proximate the conductor to constructively add positive and negative components of the magnetic field generated by the current flowing through the conductor. Leiterplatte nach Anspruch 5, wobei der erste und der zweite Lufttransformator gegenphasig geschaltet sind, um das konstruktive Hinzufügen der positiven und negativen Komponenten des Magnetfeldes zu bewirken. A printed circuit board according to claim 5, wherein the first and second air transformers are in anti-phase to effect constructive addition of the positive and negative components of the magnetic field. Leiterplatte nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Lufttransformator eine erste bzw. zweite Spule aufweisen. The printed circuit board of claim 6, wherein the first and second air transformers include first and second coils, respectively. Leiterplatte nach Anspruch 7, wobei jede von der ersten und zweiten Spule durch eine Wicklung gebildet ist, die in der gleichen Drehrichtung gewickelt ist. A circuit board according to claim 7, wherein each of said first and second coils is formed by a winding wound in the same rotational direction. Leiterplatte nach Anspruch 8, wobei jede Spule wenigstens eine Spirale aufweist. A circuit board according to claim 8, wherein each coil has at least one spiral. Leiterplatte nach Anspruch 9, wobei jede Spule mehrere Spiralen aufweist, die in unterschiedlichen Ebenen in der Leiterplatte angeordnet sind. A circuit board according to claim 9, wherein each coil has a plurality of spirals arranged in different planes in the circuit board. Leiterplatte nach Anspruch 8, wobei die Wicklung eine Bahn auf der Leiterplatte aufweist. A printed circuit board according to claim 8, wherein the winding comprises a track on the circuit board. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der erste Lufttransformator eine erste Spule aufweist. The printed circuit board of claim 1, wherein the first air transformer has a first coil. Leiterplatte nach Anspruch 12, wobei die erste Spule durch eine in einer gleichen Drehrichtung gewickelte Wicklung gebildet ist. A printed circuit board according to claim 12, wherein the first coil is formed by a winding wound in a same direction of rotation. Leiterplatte nach Anspruch 13, wobei die Spule wenigstens eine Spirale aufweist. A circuit board according to claim 13, wherein the coil comprises at least one spiral. Leiterplatte nach Anspruch 14, wobei die Spule mehrere Spiralen aufweist, die in unterschiedlichen Ebenen in der Leiterplatte angeordnet sind. The circuit board of claim 14, wherein the coil has a plurality of spirals disposed in different planes in the circuit board. Leiterplatte nach Anspruch 15, wobei die Wicklung eine Bahn auf der Leiterplatte aufweist. The printed circuit board of claim 15, wherein the winding comprises a track on the circuit board. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei der Stromleiter eine Sammelschiene aufweist. The printed circuit board according to claim 1, wherein the current conductor comprises a bus bar. Verfahren zur Detektion eines Fehlerlichtbogens unter Verwendung eines Stromleiters auf einer Leiterplatte, die Leistung von einer externen Energiequelle zu elektrischen Komponenten auf der Leiterplatte liefert, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen eines Wertes, der die Änderungsgeschwindigkeit eines durch den Stromleiter fließenden Stroms kennzeichnet, durch einen Lufttransformator, der auf der Leiterplatte angeordnet ist; und Feststellen eines Fehlerlichtbogenzustands auf der Basis des erfassten Wertes. A method of detecting a fault arc using a conductor on a circuit board that supplies power from an external power source to electrical components on the circuit board, the method comprising: sensing an amount indicative of the rate of change of a current flowing through the conductor through an air transformer which is arranged on the circuit board; and determining a fault arc condition based on the detected value. Verfahren nach Anspruch 18, das ein Erfassen des Wertes von wenigstens zwei Lufttransformatoren aufweist, die in der Nähe des Stromleiters angeordnet sind, um konstruktiv positive und negative Komponenten eines Magnetfeldes, das durch den durch einen Stromleiter fließenden Strom erzeugt wird, hinzuzufügen. The method of claim 18, including sensing the value of at least two air transformers disposed proximate the conductor to constructively add positive and negative components of a magnetic field generated by the current flowing through a conductor. Verfahren nach Anspruch 18, das ferner ein Trennen des Stromleiters von der externen Energiequelle aufweist. The method of claim 18, further comprising disconnecting the power conductor from the external power source. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die externe Energiequelle wenigstens 60 Volt aufweist. The method of claim 20, wherein the external power source has at least 60 volts. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die externe Energiequelle wenigstens 220 Volt aufweist. The method of claim 21, wherein the external power source has at least 220 volts.
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