Aplicațiile din domeniul apărării sunt printre cele mai solicitante din lume și este evident că proiectarea cu succes a unor sisteme de alimentare destinate acestei industrii necesită o înțelegere deplină a cerințelor complexe de performanță, a testelor și a condițiilor de mediu la care va fi supus produsul.
Fiabilitatea și performanțele ridicate sunt o necesitate!
La prima vedere și mai ales în condițiile în care funcția lor de bază, de a converti o sursă variabilă de tensiune de curent alternativ sau de curent continuu într-o tensiune utilizabilă stabilă, este aceeași, pentru un observator obișnuit, sursele de alimentare utilizate în sectorul apărării putând părea similare cu cele utilizate în alte domenii, cum ar fi cel industrial și cel al telecomunicațiilor – dar este departe de a fi comparabile. Soluțiile de alimentare pentru zona militară trebuie să aibă o robustețe sporită, durabilitate și trebuie să fie extrem de fiabile la un nivel poate mai ridicat decât oricare altul. În sectorul apărării, echipamentele de alimentare trebuie să funcționeze fără probleme într-o gamă de temperaturi extreme și terenuri dure. De asemenea, acestea trebuie să fie capabile să asigure o perioadă de funcționare pe termen lung, cu o întreținere minimă.
Sursele de alimentare militare sunt, în general, fabricate la standarde foarte înalte, pentru a oferi performanțe de cea mai bună calitate în medii de utilizare diverse și adesea dure. Astfel de surse de alimentare pot rezista la temperaturi de până la 80°C și până la -40°C. Acestea au game de tensiune specifice pentru a asigura funcționarea diferitelor aeronave și vehicule de tip militar în diverse moduri operaționale. Sursele de alimentare pot suporta vibrații, șocuri și zdruncinături considerabile, ale căror niveluri sunt mult mai intense decât cele care au loc în trenurile și avioanele comerciale. Așadar, să nu ne înșelăm, nivelul de fiabilitate necesar al sistemelor de alimentare electrică este foarte ridicat în sectoarele de apărare. Acestea sunt capabile să funcționeze într-o gamă largă de temperaturi, precum și în condiții de șocuri extreme și de impact ridicat. Cerințele MIL-STD se regăsesc în cele mai multe sisteme de alimentare militare, acestea funcționând fără probleme și fără sincope în medii dificile.
Unicitatea segmentului de piață militar și de apărare
Datorită naturii segmentelor de afaceri din domeniul militar și al apărării, care pentru majoritatea aplicațiilor finale sunt clasificate, foarte confidențiale și acoperite de reglementări de protecție a secretelor comerciale, este foarte dificil să se estimeze cu exactitate dimensiunea globală a pieței legate de sursele de alimentare. Totuși, potrivit estimărilor analiștilor de piață (unde sunt incluse bateriile, generatoarele, UPS-urile și sursele de alimentare) valoarea acestui segment ar fi de aproximativ 8 miliarde USD în 2023.
Figura 1: Exemplu de sursă de alimentare PRBX personalizată, proiectată pentru a îndeplini cerințe severe de mediu. (© PRBX)
Dacă ne concentrăm asupra surselor de alimentare (AC/DC, DC/DC), compania Market Analyst Micro-Tech Consultants a estimat în ultimul său raport că acest segment va reprezenta aproape 3 miliarde USD. 60% dintre aceste surse sunt proiectate în regie proprie de către producătorii de echipamente militare (Captive), iar 40% provin din piața comercială, unde o parte sunt proiectate la comandă, pe baza specificațiilor clienților, fiind destinate unei anumite aplicații unice (Figura 1).
Deși soluțiile de alimentare personalizate reprezintă încă o mare parte din acest segment – la fel ca și în cazul altor segmente – atunci când creează un nou echipament, producătorii din domeniul militar și al apărării iau în considerare avantajele utilizării surselor de alimentare comerciale și militare de serie (COTS/MOTS) (Figura 2) încă din primele etape ale proiectelor lor, pentru a reduce costurile, alocarea resurselor și timpul de lansare pe piață.
Figura 2: Convertor DC/DC PRBX COTS/MOTS OFD1200A pentru aplicații industriale și de apărare solicitante. (© PRBX)
În ceea ce privește proiectarea, adică soluțiile de alimentare personalizate sau standard, proiectanții de electronice de putere trebuie să țină cont de o serie de standarde specifice industriei militare și de apărare, ceea ce reprezintă o parte foarte interesantă a procesului de proiectare.
Proiectate pentru a corespunde unor standarde stricte
De la sol până în spațiul cosmic, sursele de alimentare trebuie să respecte standarde specifice care definesc nivelul de robustețe necesar pentru a îndeplini cerința finală. Deoarece gama de aplicații este extrem de mare, proiectanții de surse de alimentare trebuie să ia în considerare cel mai potrivit standard care să acopere amploarea aplicației. Standardele specifică toate condițiile de mediu posibile la care va fi expus echipamentul final, de exemplu, temperaturi extreme de la -40 la +80°C, necesitatea reducerii zgomotului datorită cerințelor tactice, a șocurilor și vibrațiilor rezultate din manipulare, transport și impacturi operaționale.
Figura 3: Industria militară și de apărare utilizează așa-numitul standard militar (MIL-STD). (© PRBX/DoD)
Industriile militare și de apărare utilizează așa-numitul standard militar (MIL-STD) (Figura 3). Acest standard a fost stabilit după cel de-al Doilea Război Mondial pentru a oferi cerințe standard, uniforme și pentru a asigura interoperabilitatea pentru armată și industriile sale secundare, concentrându-se exclusiv asupra cerințelor tehnice și de inginerie, proceselor, procedurilor, practicilor și metodelor. Utilizată inițial de ramurile armatei, certificarea MIL-STD reprezintă acum abilitatea de a rezista în condiții extreme și este folosită ca referință de alte industrii exigente. Deși ar fi imposibil să menționăm toate aceste standarde, putem enumera câteva exemple cu privire la ceea ce trebuie să ia în considerare proiectanții de surse de alimentare atunci când proiectează produse pentru aplicații militare și de apărare.
Dacă vrem să eliminăm zgomotul, MIL-STD-461 este norma
Principiul de bază al unei surse de alimentare este de a transforma o tensiune de curent continuu în curent alternativ și apoi de a o rectifica pentru a reveni la o tensiune de curent continuu utilizabilă. Acest proces se realizează prin comutarea tensiunii DC, un proces care generează emisii radio și zgomot condus. Acestea sunt foarte critice în aplicațiile de apărare, deoarece ar putea fi detectate sau ar putea interfera cu sistemele critice. Pentru a reduce astfel de perturbații, producătorii de surse de alimentare implementează diferite tehnologii, de la o comutație ușoară (soft switching) la anularea zgomotului sau, mai simplu, similar cu ceea ce folosiți în căștile dumneavoastră pentru a asculta muzică într-un mediu zgomotos.
Pentru a se asigura că sursele de alimentare nu generează niveluri ridicate de zgomot condus sau radiat și, de asemenea, că sursa de alimentare în sine nu este afectată sau deteriorată de semnalele externe, aceasta trebuie testată în conformitate cu MIL-STD-461. Standardul stabilește cerințele de interferență electromagnetică (EMI) și de compatibilitate electromagnetică (EMC) pentru sursele de alimentare militare robuste. Respectarea standardului este esențială pentru a asigura o performanță satisfăcătoare a tuturor echipamentelor din cadrul unui sistem. Testele efectuate în conformitate cu MIL-STD-461 includ: emisii conduse ; susceptibilitate condusă ; emisii radiate și susceptibilitate radiată.
Figura 4: Tabelele IV și V din MIL-STD-461 cu clasificarea testelor EMI și EMS în funcție de aplicații. (© PRBX/DoD MIL-STD-461G)
În funcție de aplicație, de exemplu, spectrul de frecvențe al forțelor terestre, al forțelor aeriene, al marinei sau al submarinelor, nivelul de susceptibilitate și testele pot diferi, așa cum sunt definite în tabelele IV și V din MIL-STD-461 (Figura 4).
Alimentarea vehiculelor militare: MIL-STD-1275
Majoritatea echipamentelor militare de la bordul vehiculelor sunt alimentate de la bateria principală sau de la generatorul de energie printr-un BUS intern de distribuție de 28V, MIL-STD-1275 fiind standardul pentru sistemul de distribuție a energiei electrice pentru vehiculele militare terestre. Acest standard definește limitele tensiunii de operare și caracteristicile tensiunii tranzitorii ale sursei de alimentare de 28Vdc la intrarea echipamentului. Sistemul de conversie a puterii DC/DC sau DC/AC trebuie să fie capabil să opereze atunci când este expus la tensiunile tranzitorii definite, atât la supratensiuni, cât și la vârfuri de tensiune și să livreze energie curată și bine stabilizată către sarcinile sale. Acest standard acoperă toate perturbațiile posibile cu care se va confrunta sursa de alimentare în timpul funcționării, garantând că aceasta își va respecta întotdeauna promisiunile.
MIL-STD-810 sau considerațiile tehnice de mediu și testele de laborator
Introdus pentru prima dată în iunie 1962, MIL-STD-810 a trecut printr-o serie de revizuiri, iar în ianuarie 2019 a fost lansată cea de-a opta versiune, MIL-STD810H. Conform standardului MIL-STD-810H, se descriu proceduri de testare detaliate, menite să determine modul în care rezistă echipamentele într-o varietate de condiții, cum ar fi temperatura, impactul, vibrațiile și nivelurile de umiditate pe care echipamentele le pot întâlni în timpul utilizării, transportului și depozitării. Chiar dacă MIL-810H este un standard militar, este important să rețineți că multe produse industriale robuste sunt testate conform acestui standard. MIL STD 810H are mai mult de 20 de metode de testare diferite, de la presiune scăzută (altitudine) la vibrații mecanice ale echipamentelor de la bordul navelor, inclusiv șocuri produse de focuri de armă și atmosferă acidă. Majoritatea surselor de alimentare nu trebuie să fie testate conform tuturor metodelor de testare, proiectanții de surse de alimentare selectând părțile relevante pentru aplicația finală. Unele dintre metodele de încercare sunt generale și utilizate frecvent, de exemplu, metoda de încercare 516.8 pentru șocuri și metoda de încercare 514.8 pentru vibrații. Aceste teste simulează efectul zdruncinăturilor, al căderilor și al altor acțiuni similare care pot apărea în timpul transportului și al funcționării.
Proiectare cu gândul la produsele comerciale și militare de serie!
Deoarece sursele de alimentare COTS/MOTS pot fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, proiectanții de surse de alimentare trebuie să ia în considerare o gamă largă de aspecte de mediu.
O serie de aplicații din domeniul apărării impun ca sursele de alimentare să opereze cu o răcire limitată sau chiar fără ventilație. În acest sens, ne referim în principal la cele care operează în medii dificile în care echipamentele electronice sunt instalate într-o cutie sigilată, în sistemele de radiocomunicații supuse unor condiții meteorologice nefavorabile, în echipamentele de supraveghere și control al accesului în aer liber și în echipamentele de interior supuse unor restricții foarte severe privind zgomotul audibil. Pe lângă cerințele de mediu, fiabilitatea și costurile de întreținere îi motivează pe proiectanții de sisteme să nu utilizeze ventilatoare și să primeze răcirea prin conducție.
Răcirea prin conducție necesită practici de construcție foarte specifice, iar sursele de alimentare trebuie să fie proiectate pentru a garanta un transfer optim de căldură de la componentele care disipă căldură către placa de bază, pentru a oferi un nivel ridicat de performanță într-un interval de temperatură de funcționare extrem de exigent, de -40°C până la +95°C. În astfel de aplicații, placa de bază poate fi utilizată pentru a răci sursa de alimentare atunci când operează în medii cu temperaturi ridicate, dar și pentru a încălzi sursa de alimentare atunci când operează la temperaturi scăzute. Într-adevăr, unele surse de alimentare includ un element Pelletier alimentat de o baterie mică și utilizat în timpul fazei de pornire sau în situații limită de răcire.
Când se iau în considerare soluțiile COTS/MOTS, clienții solicită adesea ca sursele de alimentare să fie extrem de flexibile și capabile să alimenteze o gamă largă de aplicații. De exemplu, unele aplicații din domeniul apărării, cum ar fi încărcătoarele de baterii, necesită ca sursa de alimentare să furnizeze un curent constant, iar acesta nu numai că trebuie să fie ușor de ajustat, dar, în același timp, sursa de alimentare ar putea fi solicitată pentru a fi utilizată în alte scopuri, de exemplu, pentru monitorizare atunci când nu este folosită pentru încărcare și pentru a comuta de la curent constant la tensiune constantă. Adesea, astfel de echipamente sunt exploatate în medii care prevăd izolarea și protejarea componentelor electronice împotriva pericolelor. Acest lucru presupune ca sursa de alimentare să dispună de un control extern pentru a putea ajusta tensiunea și/sau curentul de ieșire de la maximul permis până aproape de zero. În funcție de cerința finală, astfel de funcții pot fi controlate prin BUS-ul de comunicație analogică sau digitală. Flexibilitatea este, de asemenea, necesară pentru aplicațiile care solicită redundanță sau pentru clienții cu consumuri mai mari de energie care au nevoie ca sursele de alimentare să fie proiectate pentru funcționare în paralel, unde, pentru a menține o eficiență ridicată, se includ, adesea, circuite active ORing.
Toate acestea fără a uita de cerința de a respecta nivelurile mai ridicate de șocuri și vibrații peste cele cerute de sursele de alimentare convenționale și de filtrarea EMC de înaltă eficiență, cum sunt cele specificate de MIL-STD 461E CE102, MIL-STD 1399-300A și MIL-STD 810H.
Punte de legătură!
După cum am menționat, beneficiind de cele mai bune practici de proiectare a soluțiilor de alimentare robuste pentru a îndeplini testele specifice MIL-STD810H, sursele de alimentare COTS/MOTS din domeniul militar și al apărării capătă rapid interes din partea utilizatorilor finali în aplicații industriale solicitante care funcționează în medii dificile. În acest articol nu am menționat aplicațiile extreme, cum ar fi cele expuse la niveluri ridicate de radiații. Deși aceste aplicații sunt considerate marginale, având în vedere numărul de centrale nucleare care sunt renovate pentru a le prelungi durata de viață, există o cerere pentru dezvoltarea unor surse de alimentare capabile să suporte expunerea la niveluri ridicate de radiații cu o durată de viață mai mare decât cea necesară anterior. În urma cercetărilor efectuate asupra surselor de alimentare militare în măsură să suporte niveluri ridicate de radiații și a implementării celei mai recente generații de semiconductori cu bandă interzisă largă dezvoltați pentru medii ostile, este evident că aplicațiile industriale solicitante vor beneficia de astfel de cercetări și de disponibilitatea surselor de alimentare COTS/MOTS.
Dezvoltarea surselor de alimentare pentru industria militară, de apărare și pentru industriile cu cerințe ridicate reprezintă un domeniu foarte interesant pentru proiectanții de surse de alimentare, unde se pot explora și descoperi noi tehnologii care să le facă și mai robuste, mai versatile și mai eficiente din punct de vedere energetic.
Referințe:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
Micro-Tech Consultants – Global Switching Power Supply Industry 2023 Report
Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Despre autor
Patrick Le Fèvre este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoștințele despre energia curată.
Powerbox – A Cosel Group Company
https://www.prbx.com
