3.2. Влияние тиристорного эффекта на радиоэлектронную аппаратуру специального и космического назначения

На функционирование аппаратуры, входящей в состав радиолокационного комплекса, влияют многочисленные факторы, среди которых можно выделить тиристорный эффект – сбой в работе аппаратуры, в состав которой входят компоненты, выполненные по КМОП технологии, под воздействием поражающих факторов специальных воздействий: гамма и рентгеновского излучения, потока тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ). Указанные излучения действуют на аппаратуру по-разному, однако приводят к частичному либо полному (катастрофическому) отказу любого узла аппаратуры, что может привести к отказу комплекса в целом. В момент излучения допускается некорректная работа аппаратуры, однако аппаратура не должна необратимо выйти из строя и после воздействия должна продолжать работать в штатном режиме.

Факторы, вызывающие тиристорный эффект в КМОП-устройствах:

• Различные виды излучений (электронное, гамма, рентгеновское и др.).

• Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ).

Для защиты от тиристорного эффекта наиболее эффективно применение устройств функциональной защиты, которые позволяют отключать электропитание непосредственно в момент воздействия излучения.

В силу того, что устройство синхронизации и коммутации планируется использовать в условиях эксплуатации, полностью исключающих воздействие на аппаратуру изделия ТЗЧ, средство защиты от ТЗЧ не рассматривается.

3. 3. Реализация защиты от тиристорного эффекта в устройстве синхронизации и комутации

Для защиты от тиристорного эффекта наиболее эффективно применение устройств функциональной защиты, которые позволяют отключать электропитание непосредственно в момент воздействия излучения. Такие устройства не должны содержать КМОП-элементов, элементная база должна обладать стойкостью к тиристорному эффекту. Команда на отключение питания подается в виде прямоугольного импульса длительностью около 3 мкс, напряжением до 4-5 вольт. Импульс подается на исполнительный механизм. Отключение питания блоков аппаратуры происходит по переднему фронту импульса, а включение – по заднему.

Недостатки известных устройств защиты от тиристорного эффекта:

В настоящее время широко применяются устройства защиты от тиристорного эффекта в виде самостоятельных блоков, где функции исполнительного механизма выполняет механическое реле. Для срабатывания механического реле необходим довольно длительный промежуток времени, кроме того выполнение узла защиты в виде отдельного блока накладывает жесткие ограничения на разрабатываемую аппаратуру по массе и габаритным размерам. [9]

Реализация узла защиты от тиристорного эффекта в блоке питания:

В блоке синхронизации и коммутации в качестве исполнительного механизма применены схемы, содержащие элементы, выполняющие функцию ключей: замыкают либо размыкают цепь питания. Такие схемы называются ключевыми, в качестве ключей применяются мощные n-p-n транзисторы, подключенные к клемме (контакту) источников питания, с которой снимается необходимый для работы аппаратуры электрический параметр (напряжение либо ток) через ограничительные сопротивления. Применение ключевых схем наиболее эффективно из-за их быстродействия. Транзисторы ключевых схем работают в режиме отсечки и не влияют на работу блоков и аппаратуры в целом. При поступлении импульса, транзисторы переходят в режим насыщения, шунтируя электропитание блоков. Имеющиеся в блоках аппаратуры конденсаторы после отключения питания некоторое время остаются заряженными и могут представлять опасность для КМОП-микросхем. Транзисторы ускоряют разряд всех конденсаторов, входящих в состав блоков.

На этапах разработки в состав устройства синхронизации и коммутации был заложен функциональный узел защиты (рис. 3.7), который является неотъемлемой частью блока питания.

Данный узел защиты выполнен на биполярных транзисторах, содержит датчик, реагирующий на специальные воздействия и буферный каскад – эмиттерный повторитель и формирователь импульсов. Для увеличения чувствительности узла защиты применяется p-n-переход большей площади. Кроме того, импульс должен иметь наименьшее временное запаздывание относительно факторов воздействия. Подходящим вариантом для этих целей является обратно смещенный коллекторный p-n-переход мощных транзисторов.

Рис. 3.7 - Схема узла защиты от тиристорного эффекта

В устройстве синхронизации и коммутации в качестве датчика излучения используется коллекторный переход n-p-n транзистора 2Т866А, у которого эмиттер закорочен на базу. Последовательно с p-n-переходом транзистора включен резистор R1 эмиттерного повторителя, номинал которого подбирается при настройке узла защиты в зависимости от критического уровня излучения. Резисторы R2 и R3 используются в схеме для выполнения функции резистивного делителя в эмиттерном повторителе.

Под воздействием излучения через резистор R1 протекает ток, на эмиттерном повторителе образуется сигнал для формирователя импульса – одновибратора 533АГ3. Электрическая схема одновибратора 533АГ3 представлена на рисунке 3.8.

Рис. 3.8 - Электрическая схема одновибратора 533АГ3

Форма и длительность импульса, подаваемого на вход одновибратора, повторяют форму и длительность импульса воздействующих факторов. Одновибратор преобразует этот сигнал и формирует импульс прямоугольной формы с длительностью, определяемой RC-цепочкой, составленной из конденсатора C1 и резистора R4. Таблица назначения выводов одновибратора приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9 - Таблица назначения выводов одновибратора 533АГ3

В устройстве синхронизации и коммутации в качестве эмиттерного повторителя применяется тр-р BC807CLT1G, (рис. 3.10 а) (аналог тр-ра 2Т316Г, отечественный не используется, т.к. имеет очень большие габаритные размеры) в качестве формирователя импульса – микросхема 533АГ3 (рис. 3.10 б).

а) б)

Рис. 3.10 - Транзистор эмиттерного повторителя BC807CLT1G (а) и микросхема одновибратора 533АГ3 (б)

Одновибратор имеет прямой и инверсный выходы, вход сброса (активный уровень напряжения – низкий) и два входа запуска: – прямой с активным высоким уровнем и – инверсный с активным низким уровнем напряжения. Длительность выходного импульса определяется внешними времязадающими элементами R и C.

Для предотвращения несанкционированных отключений электропитания применяется схема активного резервирования – двухканальное устройство защиты, работающее по схеме сложения сигналов от двух одновибраторов (рис. 3.11 а). Такое устройство защиты имеет два транзистора – датчика воздействующих факторов, два транзистора – буферных каскада, два формирователя импульсов, выполненные на одной микросхеме 533АГ3, поскольку микросхема содержит два одновибратора. Временная диаграмма работы устройства защиты от тиристорного эффекта представлена на рис. 3.11 б.

Применение двухканального устройства защиты позволяет повысить надежность и стойкость изделия к специальным воздействиям. Только при воздействии факторов излучения одновременно на двух каналах будут сформированы положительные импульсы, с двух выходов микросхемы 533АГ3 импульсы поступят на схему совпадений, которая выработает сигнал отключения питания.

а) б)

Рис. 3.11 - Схема двухканального устройства защиты от тиристорного эффекта (а) и временная диаграмма работы устройства защиты от тиристорного эффекта (б) (желтый сигнал – сигнал отключения питания, а зеленый – питание устройства).