保護電路設計應用對機載成品性能的影響

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【摘要】本文以某型機APU起動故障為例，簡要敘述某型機APU起動系統(tǒng)信號傳輸關系，結合系統(tǒng)原理，依托現(xiàn)有故障分析和排查手段，著眼于信號干擾及保護電路的設計，尋找解決故障產(chǎn)生原因，明確未來成品改進及設計思路，為相關電路設計提供參考。

【關鍵詞】APU起動；保護電路；故障

引言

鑒于電路內部及外界環(huán)境存在一些不穩(wěn)定因素，在信號傳輸過程中，會產(chǎn)生如靜電、噪聲、雜波等干擾信號，影響信號輸入和輸出，甚至損壞機載成品。因此，需要設計相關電路對成品內部電路進行保護，完成對干擾信號的過濾與清除。隨著現(xiàn)代飛機集成化程度的提升，裝機成品除了滿足各子系統(tǒng)的功能，還需要進行信息交聯(lián)達到功能綜合的目的[1]，因此單一成品的功能失效，就會對全機性能產(chǎn)生不可逆的影響，保護電路的設計就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的電路設計分為模擬電路、數(shù)字電路、集成電路、射頻電路等，在電路設計過程中容易出現(xiàn)電氣設備配置地點不合理、電線配置方式不合理、電線接觸不良、極性連接相反、保護電路設計不合理等問題[2]。其中保護電路設計需要綜合考慮成品工作時所處環(huán)境，同時兼顧成品內部相關電路布局、接口定義、成品尺寸、成品重量等技術指標，制定出有針對性的設計方案。

1系統(tǒng)組成和功能描述

1.1某型機APU起動原理

輔助動力裝置（APU）是一種安裝在大型飛機上的獨立小型燃氣渦輪發(fā)動機，是除飛機主發(fā)動機外的一臺動力裝置，它的作用是向飛機獨立提供電源和壓縮空氣，也可以提供附加推力[3]。某型機APU工作系統(tǒng)包括APU安裝架、APU進排氣系統(tǒng)、APU冷卻系統(tǒng)、泄漏系統(tǒng)、APU起動電氣控制、參數(shù)采集及處理、加溫系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)等。其中APU起動電氣控制的主要任務是將APU轉子由靜止狀態(tài)帶動到轉動狀態(tài)，并加速到獨立工作狀態(tài)；同時向APU燃燒室供油，將燃燒室的油氣混合氣點燃，使渦輪正常工作，同時參與加速APU轉子轉動。APU起動電氣控制系統(tǒng)主要由起動發(fā)電機、自動起動器、起動箱、電子調節(jié)器、工作時間記數(shù)器、進氣門操縱電動機構等組成。在APU起動時，直流起動發(fā)電機作為電動機帶動APU轉子轉動，采用逐級起動的方式起動APU。整個起動過程受自動起動器和電子調節(jié)器控制。

1.2電子調節(jié)器功能及工作原理

電子調節(jié)器主要由轉速傳感器模擬器、定值器組合、斷續(xù)信號發(fā)生器和檢查邏輯電路等組成。工作時與熱電偶、轉速傳感器配合工作。當APU轉子達到給定轉速時，轉子輸出相應的電壓信號，在APU渦輪后燃氣溫度達到極限排氣溫度以及轉子轉速達到極限轉速時，輸出APU停車信號，使APU停止起動。其中轉速傳感器是一臺測速發(fā)電機，用來感受APU轉子轉速，將轉子轉速轉換成電信號，傳遞給電子調節(jié)器。熱電偶是測量渦輪后燃氣溫度，將燃氣溫度轉換成電信號，傳遞給電子調節(jié)器。電子調節(jié)器接收相關信號后進行處理，將處理后的信號與定值器內部預先給定的信號進行對比，再經(jīng)斷續(xù)信號發(fā)生器變換成與APU各給定轉速相對應的指令電壓輸出，控制APU自動起動器中繼電器的工作。

2APU起動通電檢查過程

APU起動可分為地面起動、冷運轉、假起動、空中起動等。在總裝階段進行APU起動通電檢查時，用信號發(fā)生器模擬APU起動時所需要的轉速信號，向電子調節(jié)器輸入電壓及頻率信號；用APU起動模擬器（以下簡稱起動模擬器）來模擬APU，起動模擬器上的信號燈工作狀態(tài)來模擬起動時APU各附件的工作狀態(tài)。若APU正常起動，位于駕駛艙APU起動控制板（以下簡稱起動控制板）上的“準備起動”燈熄滅，“APU工作”綠色信號燈燃亮；若APU沒有正常起動，位于起動控制板上的“準備起動”燈燃亮，“APU工作”綠色信號燈不燃亮，APU需要重新起動。

2.1電子調節(jié)器的自檢

在進行APU起動通電檢查時，首先對電子調節(jié)器進行自檢。通過操作起動控制板上的自檢按鈕，觀察駕駛艙多功能顯示器畫面頁及起動控制板上指示燈的燃亮情況以及操作起動模擬器上的K2、K3開關模擬APU工作狀態(tài)來對電子調節(jié)器進行自檢。

2.2APU起動檢查

在電子調節(jié)器自檢正常后，可進行APU正常起動、APU冷運轉、APU假起動、APU停車等項目通電檢查，以上檢查均需要操作起動控制板上的開關、按鈕。不同的操作方式可進行不同的項目檢查。APU正常起動時用信號發(fā)生器向電子調節(jié)器輸入APU起動時所需要的轉速信號，經(jīng)過電子調節(jié)器處理后，向自動起動器輸出控制信號，再由自動起動器控制起動模擬器。APU起動時的具體現(xiàn)象如上所述。

3APU起動通電故障分析

3.1故障現(xiàn)象

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，進行APU起動通電檢查時，在電子調節(jié)器自檢正常的狀態(tài)下，觀察起動模擬器上各指示燈的燃亮狀態(tài)來確定APU的起動情況。某型機在進行APU起動通電檢查時，電子調節(jié)器自檢正常，進行APU正常起動檢查，起動模擬器上的各指示燈起始狀態(tài)燃亮正常，當調節(jié)信號發(fā)生器，向電子調節(jié)器輸入90%轉速信號時，起動模擬器上的APU工作指示燈未按要求燃亮。同時，位于起動控制板上的“準備起動”燈燃亮，模擬APU起動失敗。

3.2故障分析

轉速信號由信號發(fā)生器發(fā)出并傳遞給電子調節(jié)器，經(jīng)過電子調節(jié)器內部電路處理再輸出，總裝階段只模擬轉速信號。起動控制板發(fā)出控制信號，經(jīng)APU起動控制盒傳遞給電子調節(jié)器，同時由信號發(fā)生器發(fā)出的轉速信號傳遞給電子調節(jié)器，電子調節(jié)器將信號輸出至自動起動器，自動起動器控制起動模擬器上的信號燈。結合以上工作原理及某型機APU通電檢查要求，分析故障產(chǎn)生原因如下。（1）各連接器與成品未對接到位或連接器內部針孔錯位，造成信號無法正常傳輸。（2）自動起動器無信號輸出或無信號輸入。（3）電子調節(jié)器無信號輸出或無信號輸入。（4）起動模擬器內部線路故障。經(jīng)機上排查，確認連接器對接到位，連接器內部針孔無錯位；用示波器監(jiān)測信號發(fā)生器輸出端，輸出端的頻率及電壓信號正常；用信號發(fā)生器向電子調節(jié)器輸出電壓及頻率信號，同時測量電子調節(jié)器輸出端電壓，發(fā)現(xiàn)無電壓輸出，因此可以判斷為電子調節(jié)器故障。結合起動前電子調節(jié)器自檢正常，成品校驗正常，說明成品在機上進行系統(tǒng)聯(lián)式時，外界存在干擾信號造成內部電路故障。

4保護電路的設計與應用

通過對故障的排查，發(fā)現(xiàn)外界干擾信號對電子調節(jié)器內部電路產(chǎn)生影響。進一步分析電子調節(jié)器內部電路，提出改進方案。

4.1電子調節(jié)器內部電路分析

電子調節(jié)器主要有自檢、超溫保護和轉速信號轉換功能，對應的電路根據(jù)上述功能進行設計。其中轉速信號轉換電路包括轉速信號處理電路和轉速邏輯電路。電路設計如圖1、圖2所示。圖1為轉速信號處理電路，轉速信號經(jīng)放大后通過LM131模擬集成f/V轉換器將轉速信號轉換為對應的電壓信號，并通過電壓跟隨電路來提高帶載能力。圖2為轉速邏輯電路，根據(jù)轉速信號的頻率可以算出經(jīng)LM131頻率/電壓變換后的各階段轉速對應的電壓值，將頻率/電壓轉換后的電壓與對應的基準電壓值進行比較，如設置的比較電壓為5.43V（對應轉速108%），當轉速大于108%時，比較器輸出高電平驅動固體繼電器工作向自動起動器發(fā)出電壓信號。

4.2電子調節(jié)器內部電路故障定位

結合通電檢查故障現(xiàn)象，對U11放大器輸入5KHz的轉速信號，對應U11放大器應有對應5KHz的轉速信號輸出，但實際檢測時發(fā)現(xiàn)U11有輸入、無輸出，可以確認U11放大器故障。

4.3電子調節(jié)器內部電路的改進

通過故障現(xiàn)象可以看出，在系統(tǒng)聯(lián)式過程中有可能會對成品輸入端施加干擾信號，該信號對電子調節(jié)器內部電路造成損壞，為提高電子調節(jié)器的適應性，需對其內部電路信號輸入端增加保護措施。在電路的轉速信號輸入端外接測速發(fā)電機，輸入頻率為1kHz～5.4kHz，幅值為0.6V～4V的正弦信號，通過U11對該頻率信號進行幅值放大，經(jīng)光電隔離后，通過頻率/電壓轉換器將頻率信號轉換成對應的電壓信號。因此，轉速信號輸入端即為U11放大器的輸入端，對輸入端的保護即為對U11輸入端保護。保護電路設計如圖3所示。保護電路中C1、C2選用電壓為500V，容量為0.66μF的無極性介質電容，用于濾除測試過程中輸入端引入的直流信號。R1、R2、D1和C3組成輸入端差分信號保護電路。其中R1和R2為限流電阻，為避免阻值過大在輸入端引入額外噪聲，阻值為510Ω。D1為TVS管，用于抑制輸入端浪涌電壓，R1、R2和C3組成濾波電路，用于濾除輸入端的高頻信號。

4.3.1TVS管的選擇TVS管在規(guī)定的反向應用條件下，可承受一個高能量的瞬時尖峰電壓，工作阻抗能立即降至很低的導通值，并將電壓箝位到TVS管箝位電壓值，從而有效保護線路中其他元器件免受損壞。U11的電源電壓為12V，正常使用時輸入端信號幅值小于5V，當TVS管的最大反向電壓為6V時，擊穿電壓為7.05V，最大箝位電壓為9.18V。選用SY195CAS型雙向TVS管，該器件擊穿電壓為7.22V，箝位電壓為11.2V，功率為3kW，允許的正向浪涌電流可達到267A。

4.3.2C3電容的選擇R1、R2和C3組成低通濾波電路，用于濾除輸入端的高頻信號，輸入端頻率1kHz～5.4kHz，電阻為510Ω，頻率信號幅值最低為0.6V，確定C3的容值為56pF。4.3.3其他元器件的選擇R1～R4、C4、C5、D2、D3和Q1～Q4組成輸入端共模保護電路，用于抑制輸入端共模電壓對器件的影響，R3和R4為接地電阻，阻值為100kΩ，為輸入端偏置電流提供一個DC返回路徑。C4和C5為共模濾波電容，容值為680pF。為避免輸入端電壓高于U11的電源電壓，利用附加外部箝位二極管增加器件輸入保護。因大多數(shù)普通二極管都具有很高的泄漏電流，在儀表放大器的輸出端產(chǎn)生很大的失調誤差，為避免誤差，選擇用三極管的PN節(jié)替代二極管，所用Q1～Q4三極管的漏電流為100nA，滿足使用要求。在Q1～Q4組成輸入端共模保護電路的基礎上，增加TVS管D2、D3，增強后級電路的保護。新增的保護電路只是用于U11輸入端的保護，提高集成電路的可靠性及輸入信號的抗干擾能力，不會影響集成電路的性能指標，不會影響電子調節(jié)器的正常工作。

5結論

本文在分析某型機APU起動原理的基礎上，結合電子調節(jié)器內部電路的組成及工作原理，同時結合電子調節(jié)器現(xiàn)場工作環(huán)境，明確了保護電路對成品性能的影響，解決了某型機電子調節(jié)器在系統(tǒng)聯(lián)式過程中無法正常工作的問題，為后續(xù)相關電路的設計提供了參考。

【參考文獻】

[1]支超有，唐長紅.飛機載數(shù)據(jù)總線技術及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]鄭橋.電路設計安全注意事項探討[J].現(xiàn)代商貿工業(yè)，2015（9）：197.

[3]汪濤，王朝蓬，李志鵬.某型機輔助動力裝置空中起動故障分析與試驗驗證[J].機械研究與應用，2017，1（30）：72.

作者：郭宸佑 馬劼 李鐵 單位：航空工業(yè)西安飛機工業(yè)<集團>有限責任公司總裝廠