做好安全措施：不要讓雷電感應(yīng)浪涌嚇到你

三、二、一，發(fā)射。隨著飛船飛向太空，你期待著這次最新任務(wù)會(huì)有哪些發(fā)現(xiàn)，也想知道機(jī)組成員在飛行途中會(huì)遇到些什么。你要擔(dān)心的最后一件事是，你的設(shè)計(jì)工程師是否采用了合適的電路保護(hù)技術(shù)。如果你的工程團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)階段采取了正確的預(yù)防措施，那么你自不必感到擔(dān)心。

在設(shè)計(jì)太空應(yīng)用的電路時(shí)，為什么電路保護(hù)如此重要?

1.因?yàn)槠潢P(guān)乎生命。航天器及其配套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須能夠?yàn)闄C(jī)組人員的生命提供保護(hù)，因?yàn)樗麄兠媾R著太空飛行的各種危險(xiǎn)和脆弱性。

2.由于電路變得越來越小，所采用的技術(shù)也越加復(fù)雜。一個(gè)大型的航天器實(shí)際上是所有的小電路和元件的組合，它的運(yùn)行也依賴于這些電路和元件的共同工作。因此，保護(hù)每個(gè)脆弱的電氣部件和數(shù)字電路免受諸如靜電放電和雷電感應(yīng)浪涌之類的危害是至關(guān)重要的。無論大小，一個(gè)元件或電路損壞都意味著整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，從而影響整個(gè)任務(wù)的安全性。

歷史的警示

簡單的事件可以對控制航天器的復(fù)雜電氣系統(tǒng)造成干擾，發(fā)射于1969年11月14日的阿波羅12號(hào)任務(wù)就是一個(gè)很好的例子。

在發(fā)射后第36秒，雷電擊中阿波羅12號(hào)，導(dǎo)致一股巨大的電流通過航天器的外殼，傳導(dǎo)至運(yùn)載火箭，并通過火箭水槽到達(dá)地面(圖1)。結(jié)果，發(fā)射控制器失去與機(jī)組的遙測通信。雷擊觸發(fā)了過載電路，斷開了服務(wù)艙下方一個(gè)小盒子中的可控硅整流器(SCR)，而服務(wù)艙是燃料電池(航天器的主要直流電源)之所在。突然，三個(gè)燃料電池均被斷開。同時(shí)，瞬時(shí)低壓輸入到直流-交流逆變器導(dǎo)致交流欠壓傳感器跳閘。導(dǎo)致交流總線1和2故障燈亮起。影響燃料電池?cái)嚅_電路中可控硅整流器的瞬變以同樣的方式影響了交流過載電路中的可控硅整流器。

圖1阿波羅12號(hào)升空后不久雷電擊中土星五號(hào)火箭和發(fā)射塔。

似乎一次雷擊還不夠糟糕，升空后第52秒又來了一次。這次雷擊導(dǎo)致飛船的慣性測量單元陀螺儀故障，并造成輕微的測量儀器故障。由于飛船的電池供電應(yīng)急總線還能繼續(xù)運(yùn)行，機(jī)組人員才得以恢復(fù)關(guān)鍵系統(tǒng)，安全地執(zhí)行他們的任務(wù)。

是什么防止了對系統(tǒng)和飛行器造成嚴(yán)重的永久性損壞?是發(fā)射逃逸系統(tǒng)、指令艙、服務(wù)艙、航天器-登月艙適配器和土星五號(hào)慣性單元之間的結(jié)構(gòu)性電聯(lián)接質(zhì)量。運(yùn)載火箭中的慣性單元計(jì)算機(jī)承擔(dān)了上升的指導(dǎo)和控制，因?yàn)楸緛碓谡Ｇ闆r下應(yīng)為升空提供支持的指令艙計(jì)算機(jī)在第一次雷擊中脫機(jī)了。由于這臺(tái)用于升空指導(dǎo)和控制的冗余計(jì)算機(jī)是位于運(yùn)載火箭中的，而不是在指令艙中，避免了中止飛行的需要。

自這次阿波羅任務(wù)之后，美國航空航天局啟用了廣泛的監(jiān)控設(shè)備，以確保在有可能出現(xiàn)雷電的時(shí)間里不會(huì)發(fā)射飛行器。如今，美國航空航天局肯尼迪航天中心的39B發(fā)射臺(tái)已經(jīng)過改造，納入了一個(gè)包含多個(gè)發(fā)射塔的復(fù)雜的防雷系統(tǒng)。

如今的電路保護(hù)策略

對于今天的電路設(shè)計(jì)人員來說幸運(yùn)的是，對雷電感應(yīng)浪涌進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)通常不再需要建造巨大的塔了。事實(shí)上，電路保護(hù)器件越來越小，以適應(yīng)現(xiàn)代應(yīng)用中的微型封裝。

幾十年來，力特一直供應(yīng)著航天器和地面控制系統(tǒng)中重要部分的電路保護(hù)元件。在20世紀(jì)60年代，力特為美國航空航天局開發(fā)了MICRO和PICO®超小型保險(xiǎn)絲，在雙子星和阿波羅太空計(jì)劃中得到使用。來看一下今天力特所帶來的其他電路保護(hù)器件。

高可靠性微型保險(xiǎn)絲

力特為美國航空航天局、其他航天機(jī)構(gòu)和軍事承包商提供262/268/269系列具有高分?jǐn)嗄芰Φ目焖賱?dòng)作、高可靠性微型保險(xiǎn)絲。這些微型保險(xiǎn)絲的作用是為具有印刷電路板的電子、電氣和通訊設(shè)備提供保護(hù)，這些設(shè)備通常處在最極端條件下，直流和交流電路高達(dá)400Hz。

TVS二極管

AK系列的TVS二極管(如圖2所示)是專為高能量瞬態(tài)電壓保護(hù)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。針對交流線路保護(hù)中的使用，以及要求苛刻的直流或交流應(yīng)用，這些軸向引線、高功率瞬態(tài)抑制器都已經(jīng)過優(yōu)化。這些器件采用力特的返送技術(shù)，可以提供比傳統(tǒng)方法(如：硅雪崩二極管(SAD)技術(shù))更優(yōu)越的鉗位性能。它們提供的鉗位電壓要低于雪崩電壓，但要高于額定工作電壓。因此，任何應(yīng)增強(qiáng)的電流傳導(dǎo)而導(dǎo)致的電壓上升將會(huì)被保持在最低限度，以確保最佳的保護(hù)級(jí)別。

AK系列TVS二極管還具有無耗損機(jī)制的優(yōu)勢，更低的泄漏率和對浪涌的快速響應(yīng)。它們的緊湊的設(shè)計(jì)也簡化了電路板布局。連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)可選，以創(chuàng)建非常高容量的保護(hù)方案。

圖2

與在每次浪涌事件之后性能開始下降的傳統(tǒng)浪涌保護(hù)器件模塊不同，AK系列TVS二極管可以快速恢復(fù)。

壓敏電阻

力特的LSP10系列浪涌保護(hù)模塊(如圖3所示)為戶外和商用LED照明燈具提供瞬態(tài)過電壓保護(hù)。采用力特設(shè)計(jì)的熱保護(hù)壓敏電阻，這些保護(hù)模塊具有強(qiáng)大的浪涌電流處理能力。內(nèi)置的熱脫扣功能針對災(zāi)難性故障和火災(zāi)隱患提供的額外的保護(hù)，即使是極端情況下(如：壓敏電阻壽命終止或持續(xù)過電壓)。LSP10 系列有并聯(lián)和串聯(lián)連接方式可選。使用并聯(lián)連接，指示線可以激活一個(gè)LED燈，通知維修人員何時(shí)需要對SPD進(jìn)行更換，以確保燈具持續(xù)得到保護(hù)。串聯(lián)連接會(huì)切斷燈具的電源，清楚地指示出應(yīng)該對SPD進(jìn)行更換。

圖3

LSP10系列浪涌保護(hù)模塊。