JP6076366B2 - 落雷を検出するための方法および装置 - Google Patents

Description

本開示は、電流スパイク検出器、またより具体的には、航空機における落雷を検出するための電子回路に関する。

航空機への落雷は比較的まれな出来事であるが、十分な頻度で発生し、かつ、落雷は機械システムおよび電気システムを相当程度損傷するものであり、落雷の防止および軽減は航空機内部の重要な構成要素である。

落雷やその位置、強度および影響を報告することは、現在、航空機乗務員および地上勤務員によって取り扱われている。航空機乗務員は、航空機が落雷を受けたか否かを、一般的に目視による確認、または器具類あるいは照明装置の一過性電気的干渉を通じて、判断する責任を負う。地上整備員はその後、落雷の重大性、位置、および航空機の安全飛行適合性への影響を判断するというタスクを与えられる。しかしながら、この仕組みは航空機乗務員による最初の判断に基づくものであるため、この報告の仕組みは、落雷の過大報告または過少報告という結果になることがある。

航空機が落雷を受けたとき、大量の電流が航空機を通り抜ける。金属で覆われた航空機において、この電流は大部分、航空機の外部表面上を流れる。しかしながら、複合構造を使用する航空機は、多くの場合、落雷から生じる大電流を流すため、航空機内部に取り付けられた電気コネクタによる、雷すなわち電流のリターンネットワークを内蔵している。このような複合航空機においては、この電流は、電気システムが電流スパイクによって損傷を受ける可能性を低減する電流リターンネットワークを通るよう方向付けられることがある。しかしながら、いくつかの一時的な電気システムの不具合は、依然として発生することがある。これらのシステムが回復すると、システムは一般的にコクピットに向けて警告を発するが、警告は別の場所で記録された可能性があるため、航空機の次の着陸時には、整備員はその警告を確認しなければならない。

これらの電気システム警告の一部は、システム関連の問題というよりはむしろ落雷によるシステムリセットによって発生する、いわゆる「誤警告（ｎｕｉｓａｎｃｅ ｗａｒｎｉｎｇｓ）」であることもある。しかしながら、これらのシステムでは、警告をリセットし、また、障害が落雷事象によるものかそれとも影響を受けたシステムにおける問題によるものかを判断するため、整備担当者による手動リセットが依然として必要となる。

したがって、本発明の属する分野において、雷検出システムの必要性は認識されている。

本発明の一態様によれば、落雷を受けそれを消散させる電流リターンネットワークを含む、落雷を検出する電源内蔵型システムと、電流リターンネットワークと通信する変圧器を有し、かつ交流電気出力を提供する共振回路と、交流電気出力を直流電気出力へと整流する整流器と、直流電気出力を受け取ると電圧閾値まで昇圧する低速積分器と、また、障害監視ソフトウェアと信号をやりとりする低速積分器によって発動する出力トランジスタと、が提供される。有利には、電流リターンネットワークは航空機内部の導電性経路を含む。共振回路はインダクタとコンデンサとを含むことが好ましい。積分器はコンデンサを含むことが好ましい。コンデンサは完全に充電されていることが好ましい。

本発明のさらなる態様によれば、電流リターンネットワーク内の電圧スパイクを検出する方法が提供され、前記方法は、電流リターンネットワークと誘導通信を行うフェライトコアを提供するステップと、フェライトコア、積分回路およびトランジスタと誘導通信を行う共振回路を有する検出回路を提供するステップと、電流スパイクを電流リターンネットワークを通じて提供するステップと、共振回路を誘導的に通電することで交流電流を提供するステップと、電流を整流するステップと、積分回路内のコンデンサを閾値電圧レベルまで充電するステップと、閾値電圧レベルに達したときにトランジスタの状態を変えるステップと、また、この状態の変化を電圧スパイクの表示として検出するステップと、を含む。有利には、整流は半波整流器によるものである。有利には、共振回路はインダクタと第１コンデンサとを含む。電流リターンネットワーク、インダクタ、およびフェライトコアは変圧器を含むことが好ましい。フェライトコアは、電流リターンネットワークから選択的に取り外し可能であることが好ましい。方法はさらに、フェライトコアを電流リターンネットワークに取り付けるステップを含むことが好ましい。有利には、トランジスタは通常開放ｎ型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ｎ−ＭＯＳＦＥＴ）である。方法はさらに、遠隔障害モニタを提供するステップを含むことが好ましい。遠隔障害モニタからトランジスタを通る電流の流れが、状態の変化を検出するために使用されることが好ましい。方法はさらに、状態の変化が一旦検出されたときに閾値電圧をブリードオフするためのレジスタを含むことが好ましい。

本発明のまたさらなる態様によれば、航空機に落雷が発生したか否かを判断する方法が提供され、前記方法は、航空機全体に及ぶ電流リターンネットワークを提供するステップと、透磁性コアによって電流リターンネットワークと誘導通信を行う受動電気回路を提供するステップと、を含み、受動電流回路は電圧制御トランジスタを含み、電流スパイクが落雷から電流リターンネットワークを通るよう方向付けるステップと、電流スパイクを電流リターンネットワークを通じて電気回路における電流源へと変換するステップと、トランジスタ全体の閾値電圧レベルを提供してトランジスタを通常状態から活性化状態へと変えるステップと、また、この変化を測定することで落雷を判断するステップと、を含む。有利には、閾値電圧レベルに達したときに、トランジスタは通常開放状態から閉鎖状態へと変化する。この変化は、トランジスタを通る電流の流れによって測定されることが好ましい。有利には、閾値電圧レベルに達したときに、トランジスタは通常閉鎖状態から開放状態へと変化する。この変化は、トランジスタを通って流れる電流の停止によって測定されることが好ましい。

前述の特徴、機能および利点は、本発明の様々な実施形態で独立に実現可能であるか、あるいは、さらなる別の実施形態で組み合わせることが可能であり、さらなる別の実施形態の詳細は、以下の説明および図面を参照することで理解が可能である。

電流リターンネットワークを示す航空機の斜視図である。 電流リターンネットワークと検出回路の間の接続を示す概略図である。 検出回路の概略図である。 検出回路の一代替実施形態の概略図である。

図１は、航空機１００のかなりの部分に沿って延在する縦方向の導電性要素１０４および横方向の導電性要素１０６を含むことがある電流リターンネットワーク１０２を示す、航空機１００の切取形状の斜視図を示す。電流リターンネットワーク１０２は、航空機１００の翼部および尾部を通って延びる通電経路１０８をも含む。通電経路１０８に加え、縦方向の要素１０４および横方向の要素１０６も、低抵抗電線、または、航空機構造要素、油圧管路、あるいは専用の電流リターン構成要素を含むがこれらに限定されるわけではない他の導電材料であることもある。電流リターンネットワーク１０２のこれらの要素１０４、１０６、１０８は、障害電流を流すように構成されることがあるいくつかの冗長電気経路を提供し、接地を提供し、雷電流を流し、電磁遮蔽を提供し、抵抗差動および電圧差動を最小化し、また、静電荷のブリード路を提供するため、互いに接続されることがある。

図２に示すように、落雷検出機器１１２は、電流リターンネットワーク１０２の一部の周囲に固定された巻線を備えたクランプオン型透磁性コア１１４と、フェライトコア１１４と通信する落雷検出回路１１６と、を含むことがある。クランプオン型フェライトコア１１４は、鉄、酸化第一鉄被覆セラミックまたはその他の材料のような、高透磁性材料の閉ループである。フェライトコア１１４は、取り外し可能であっても、または、電流リターンネットワーク１０２に取り付けられた常置機器であってもよい。

図３Ａは、落雷検出回路１１６をさらに詳しく図解したものである。この図で示すように、回路１１６は、共振回路１１８、積分回路１２０、および、外部監視装置１２４に接続されたトランジスタ１２２とを含むことがある。共振回路１１８は、インダクタ１２６と、それと並列接続され、整流ダイオード１３０によって積分回路１２０と並列式に接続された第１コンデンサ１２８とを含むことがある。積分回路１２０は、並列接続されたレジスタ１３２と第２コンデンサ１３４とを含む。積分回路１２０は、トランジスタ１２２のゲート１３６に結合され、トランジスタソース１３８は接地へとつながる。トランジスタそれ自体１２２は、外部監視装置１２４と接地の間に電圧調整電流源を提供する、通常開放エンハンスメントモードｎ型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ｎ−ＭＯＳＦＥＴ）として示されている。電磁干渉（ＥＭＩ）低減要素は、回路１１６を損傷することがある電流帰還または電圧スパイクの可能性を低減させる、ツェナーダイオード１４２およびドレインダイオード１４４の形態で提供される。

一実施形態によれば、いくつかの落雷検出機器１１２は、落雷事象を捉えるよう、電流リターンネットワーク１０２の周囲に配置される。図２を参照すると、機器１１２は、ゾーン３領域内に配置されることが好ましいと思われるが、エンジンナセルの上面またはその近辺に、あるいは、航空機胴体に沿ってというように、ゾーン１または２領域内に配置されてもよい。

図２を参照して、落雷機器１１２の動作をさらに詳しく説明する。理解されるように、落雷事象がないとき、雷検出回路１１６は非通電状態のままとなる。しかしながら、落雷事象があるとき、回路は通電し、この事象を示す。この事象が示された後、回路は非通電状態にリセットされる。

航空機が落雷を受けたとき、１から５０μｓ持続する電流スパイクが、電流リターンネットワーク１０２に運ばれる。電流リターンネットワーク１０２は、フェライトコア１１４の周囲に少なくとも１つのループを形成し、インダクタ１２６はいくつかのループをフェライトコア１１４の周囲に形成し、その結果、電流パルスが電流リターンネットワーク１０２を通り抜けるときにインダクタ１２６が補電流を発生させるよう、変圧器を形成する。

共振回路１１８を形成するインダクタ１２６と第１コンデンサ１２８は、回路１１６を通電させる交流電流出力を作成することになる。共振回路１１８からの電流出力は、積分回路１２０に運ばれる前に、整流ダイオード１３０によって半波出力へと整流される。

積分回路１２０は、コンデンサが完全に充電されるよう、コンデンサ全体の電圧差を数秒間閾値レベルに維持することが好ましい第２コンデンサ１３４に、低速の充電および放電を提供する。積分回路は、外部監視装置１２４それ自体が事象によって乱された場合であっても、保持時間および雷表示が動作し続けるための自動リセットを提供する。

第２コンデンサ１３４が、トランジスタ１２２のゲート閾値によって測定された閾値レベルであるとき、ソース１３８とドレイン１４０の間の回路は閉鎖され、電流は、外部監視装置１２４から接地へと、トランジスタを通って流れることが可能になる。外部監視装置１２４は、航空機内に取り付けられることがあり、また、回路１１６によって発生した電気的開放／接地ディスクリート信号を感知しその後これを障害または保守の表示ロジックに使用する開放／接地ディスクリートのような、標準的な航空機装置インターフェースであることもある、外部監視機器である。

ツェナーダイオード１４２により、電圧が、トランジスタゲートからソースまで、トランジスタ１２２または他の構成部品を損傷しかねないレベルに達しないことが保証される。

ドレインダイオード１４４は、外部監視装置１２４とトランジスタ１２２の間に配置され、これにより電流が外部監視装置１２４からトランジスタを通って流れることが可能となる。この配置により、電流がトランジスタ１２２から外部監視装置１２４へと流れることは不可能となり、電流スパイクが接地する場合でも損傷を引き起こさないことが保証される。

上述の電気回路へのその他の改良も考慮される。図示されている実施形態によれば、回路は、通常は開放しており、ゲート１３６に正電圧が印加されたときに閉鎖して電流がソース１３８とドレイン１４０との間を流れることを可能にする、ｎ−ＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２２を含む。しかしながら、通常閉鎖デプレッションモードＭＯＳＦＥＴは、通常開放エンハンスメントモードトランジスタ１２２を代替できると考慮される。

整流ダイオード１３０は、タンク回路と積分回路との間に直列接続された単一ダイオードとして示される。この半波整流器は、共振回路１１８によって生成された共振波形の半分しか通過させず、したがって、通過するエネルギーの量は低減する。しかしながら、このダイオードは、追加エネルギーが必要な場合は、ダイオードブリッジまたは他の形式の整流器のような全波整流器と置換できる。

回路１１６は、ツェナーダイオード１４２およびドレインダイオード１４４のようなＥＭＩ防護要素を含むとも、すでに説明されている。これらの要素は、トランジスタ１２２（ツェナーダイオード１４２）の電圧過負荷、または、外部監視装置１２４への電流帰還に対する防護を提供するために含まれるものである。しかしながら、これらの要素は回路の動作のために必要なものではなく、省略されてもよい。これらの防護要素の代わりに、またはこれらの防護要素に加えて、代替防護要素が含まれることもある。

共振回路１１８は落雷波形に基づいて交流電流を提供するが、積分回路１２０に電圧差動を提供することは必ずしも必要ではない。電流リターンネットワーク１０２内の電流スパイクは、トランジスタ１２２を駆動するのに使用される可能性があるインダクタ１２６において、対応する電圧スパイクを発生させると考えられる。しかしながら、共振回路１１８は、例えば降水空電ノイズや他の無線周波数（ＲＦ）ノイズのようなＲＦノイズに対する回路の感度を低減させる、帯域制限関数を提供するという、さらなる利点を提供する。

単一の有線接続を備えた受動素子（電流リターンネットワーク１１２）として、検出回路１１６に関して組み込み試験を追加することは、適切でないことがある。この試験機能は、落雷をシミュレーションするために回路１１６にパルスを提供することができる、フェライトコア１１４上の第２の巻線の組を追加することによって、達成することが可能である。これは、システムが正しく機能していると判断するための、効果的な試験としての役割を果たすと考えられる。

図１を参照して説明されたように、電流リターンネットワーク１０２は、航空機の電気的構成要素のための接地としての役割を果たすことがある。しかしながら、落雷から電流リターンネットワーク１０２を通るサージは、多くの場合、航空機の様々なシステムに電気的不具合をもたらすものとなる。したがって、電流リターンネットワーク１０２を落雷検出回路１１６の接地として使用することは、望ましくないかもしれない。図３Ａに示される一実施形態によれば、外部監視装置１２４は電流リターンネットワーク１０２のような接地に接続され、また、落雷検出回路１１６は１つの独立した接地に接続される。図３Ｂは、落雷検出回路１１６と外部監視装置が、１つの独立した接地であることもある共通の接地１４６を共有する、代替的な配置構成を示す。

ここで開示される方法および装置の形態が、開示された落雷検出装置および方法の好ましい態様を構成する一方で、本発明の範囲から逸脱せずに、その他の方法および装置の形態を用いることができる。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
落雷を検出するための電源内蔵型システムであって、
落雷を受けかつ消散させる電流リターンネットワークと、
前記電流リターンネットワークと通信する変圧器を有しかつ交流電気出力を提供する共振回路と、
前記交流電気出力を直流電気出力へと整流するための整流器と、
前記直流電気出力を受け取ると電圧閾値まで昇圧する低速積分器と、また、
障害監視ソフトウェアと信号をやりとりするための前記低速積分器よって発動する出力トランジスタと、を備えるシステム。
（態様２）
前記電流リターンネットワークは航空機内部の導電性経路を備える、態様１に記載のシステム。
（態様３）
前記共振回路はインダクタとコンデンサとを含む、態様２に記載のシステム。
（態様４）
前記積分器はコンデンサを備える、態様３に記載のシステム。
（態様５）
前記コンデンサは完全に充電されている、態様４に記載のシステム。
（態様６）
電流リターンネットワーク内の電圧スパイクを検出する方法であって、前記方法は、
前記電流リターンネットワークとの誘導通信におけるフェライトコアを提供するステップと、
前記フェライトコア、積分回路およびトランジスタとの誘導通信における共振回路を有する検出回路を提供するステップと、
電流スパイクを前記電流リターンネットワークを通じて提供するステップと、
前記共振回路を誘導的に通電することで交流電流を提供するステップと、
前記電流を整流するステップと、
前記積分回路内のコンデンサを閾値電圧レベルまで充電するステップと、
前記閾値電圧レベルに達したときに前記トランジスタの状態を変えるステップと、また、
前記状態の変化を前記電圧スパイクの表示として検出するステップと、を備える、方法。
（態様７）
前記整流は半波整流器によるものである、態様６に記載の方法。
（態様８）
前記共振回路はインダクタと第１コンデンサとを備える、態様６に記載の方法。
（態様９）
前記電流リターンネットワーク、前記インダクタ、および前記フェライトコアは変圧器を備える、態様８に記載の方法。
（態様１０）
前記フェライトコアは、前記電流リターンネットワークから選択的に取り外し可能である、態様９に記載の方法。
（態様１１）
前記フェライトコアを前記電流リターンネットワークに取り付けるステップをさらに備える、態様１０に記載の方法。
（態様１２）
前記トランジスタは通常開放ｎ型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ｎ−ＭＯＳＦＥＴ）である、態様６に記載の方法。
（態様１３）
遠隔障害モニタを提供するステップをさらに含む、態様１２に記載の方法。
（態様１４）
前記遠隔障害モニタからトランジスタを通る電流の流れが、状態の変化を検出するために使用される、態様１３に記載の方法。
（態様１５）
前記状態の変化が一旦検出されたときに前記閾値電圧をブリードオフするためのレジスタをさらに備える、態様１４に記載の方法。

１００ 航空機
１０２ 電流リターンネットワーク
１０４ 縦方向の導電性要素
１０６ 横方向の導電性要素
１０８ 通電経路
１１２ 落雷検出機器
１１４ クランプオン型透磁性コア（フェライトコア）
１１６ 落雷検出回路
１１８ 共振回路
１２０ 積分回路
１２２ トランジスタ
１２４ 外部監視装置
１２６ インダクタ
１２８ 第１コンデンサ
１３０ 整流ダイオード
１３２ レジスタ
１３４ 第２コンデンサ
１３６ ゲート
１３８ トランジスタソース
１４０ ドレイン
１４２ ツェナーダイオード
１４４ ドレインダイオード
１４６ 接地

Claims (7)

1. 落雷を検出するための電源内蔵型システムであって、
   落雷を受けかつ消散させる電流リターンネットワーク（１０２）と、
   前記電流リターンネットワーク（１０２）と通信する変圧器を有しかつ交流電気出力を提供する共振回路（１１８）と、
   前記交流電気出力を直流電気出力へと整流するための整流器（１３０）と、
   第２のコンデンサ（１３４）を含み、前記直流電気出力を受け取ると電圧閾値まで昇圧する積分回路（１２０）と、
   前記電圧閾値に達したときに前記積分回路（１２０）よって状態を変えるようになっており、障害監視ソフトウェアと信号をやりとりする出力トランジスタ（１２２）と、
   外部監視装置（１２４）であって、ダイオード（１４４）により前記出力トランジスタ（１２２）に接続されることで、当該外部監視装置（１２４）から前記出力トランジスタ（１２２）に電流が流れる外部監視装置（１２４）と、を備えるシステム。
2. 前記電流リターンネットワーク（１０２）は航空機（１００）内部の導電性経路を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記共振回路（１１８）はインダクタ（１２６）と第１のコンデンサ（１２８）とを含む、請求項１または２に記載のシステム。
4. 航空機の電流リターンネットワーク（１０２）内の落雷を検出する方法であって、前記方法は、
   前記電流リターンネットワーク（１０２）と誘導通信するフェライトコア（１１４）を提供するステップと、
   前記フェライトコア（１１４）、積分回路（１２０）およびトランジスタ（１２２）と誘導通信する共振回路（１１８）を有する検出回路（１１６）を提供するステップと、
   外部監視装置（１２４）であって、ダイオード（１４４）により前記トランジスタ（１２２）に接続されることで、当該外部監視装置（１２４）から前記トランジスタ（１２２）に電流が流れる外部監視装置（１２４）を提供するステップと、
   前記電流リターンネットワーク（１０２）内の電流スパイクにより前記共振回路（１１８）を誘導的に通電することで交流電流を提供するステップと、
   整流器（１３０）により前記交流電流を整流するステップと、
   前記整流された電流により前記積分回路（１２０）内の第２のコンデンサ（１３４）を閾値電圧レベルまで充電するステップと、
   前記閾値電圧レベルに達したときに前記トランジスタの状態を変えるステップと、また、
   前記状態の変化を前記落雷の表示として検出するステップと、を備える、方法。
5. 前記フェライトコア（１１４）を前記電流リターンネットワーク（１０２）に取り付けるステップをさらに備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記外部監視装置（１２４）からトランジスタ（１２２）を通る電流の流れが、状態の変化を検出するために使用される、請求項５に記載の方法。
7. 前記状態の変化が検出されたときに前記閾値電圧を徐々に減らすためのレジスタ（１３２）をさらに備える、請求項６に記載の方法。

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