DE69304298T2 - Vorrichtung zum Schutz einer elektronischen Einrichtung gegen Störungen, verursacht durch Einflüsse der Umgebung in welcher sich die Einrichtung befindet - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz einer elektronischen Anlage vor Störungen, die von Phänomenen erzeugt werden, welche die Außenumgebung beeinflussen, in der die Anlage sich befindet.
• Sie bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf den Schutz gegen Blitzschlag, sogar gegen elektromagnetische Störungen (im französischen: interférences électromagnétiques - IEM) der elektronischen Anlagen an Bord eines Luftfahrzeugs.
• Man weiß, daß heutzutage diese Anlagen immer häufiger modulare Strukturen aufweisen, die Rahmen verwenden, in deren Inneren funktionelle modulare Elemente wie Schubfächer angeordnet werden können.
• Die Verbindungen dieser modularen Elemente untereinander und mit der Außenumgebung (Luftfahrzeug-Verbindungen) erfolgen mittels einer Verbindungsschaltung, die am Boden des Rahmens vorgesehen ist.
• Natürlich enthält diese Verbindungsschaltung Verbindungselemente, die mit entsprechenden Verbindungsmitteln zusammenwirken können, die in jedes der modularen Elemente integriert sind.
• Bisher wurde der Schutz dieser Anlagen gegen Blitzschlag oder elektromagnetische Störungen (auf Anforderung des Benutzers) mittels Schutzschaltungen gewährleistet, die in die elektronischen Schaltungen der modularen Elemente integriert waren.
• Es hat sich herausgestellt, daß diese Lösung viele Nachteile hat.
• Sie erfordert zuerst einmal einen spezifischen Aufbau der elektronischen Leiterkarten der modularen Elemente, die unterschiedlich sind, je nachdem, ob man den Schutz durchführt oder nicht.
• Der Schutz eines ursprünglich nicht geschützten modularen Elements erfordert also einen Austausch einer Druckschaltungskarte, d.h. einen teuren Eingriff, der nur von einem Spezialisten durchgeführt werden kann.
• Da sie in die elektronischen Schaltungen der modularen Elemente integriert sind, behandeln die Schutzschaltungen außerdem die Störungen direkt in den Schaltungen, die sie schützen sollen, so daß paradoxerweise diese letzteren umso mehr diesen Störungen ausgesetzt sind.
• Ein weiterer Nachteil dieser Integration besteht darin, daß die Schutzschaltungen nur schwierig geprüft werden können.
• Es hat sich außerdem herausgestellt, daß diese Lösung schlecht geeignet ist, um die Probleme der Wärmeabfuhr zu lösen, die sich insbesondere dann stellen, wenn nach einem Blitzschlag der Überstrom, der die Schutzschaltung durchquert, im Inneren des modularen Elements eine plötzliche und intensive Temperaturerhöhung bewirkt.
• Die Erfindung hat also insbesondere zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen.
• Sie schlägt zu diesem Zweck eine Vorrichtung vor, die verwendet:
• - einerseits ein erstes Verbinderelement, das auf den Rahmen montiert ist und dessen Verbindungsorgane elektrisch mit Leitern der Verbindungsschaltung verbunden sind, die Ausbreitungsvektoren der Störungen bilden können, und
• - andererseits einen Schutzmodul, der ein Gehäuse aufweist, das Schutzschaltungen aufnimmt, die den Leitern zugeordnet und elektrisch mit Verbindungsorganen eines zweiten Verbinderelements verbunden sind, das sich an das erste Verbinderelement anschließen kann, um eine abschaltbare elektrische Verbindung zwischen den Leitern und den entsprechenden Schutzschaltungen zu gewährleisten.
• Bei einer solchen Lösung ist folgendes klar:
• . Der Schutz der modularen Elemente der elektronischen Anlage erfolgt außerhalb dieser Elemente, sogar außerhalb des Rahmens, so daß die Störungen neutralisiert werden, bevor sie (direkt oder indirekt) die zu schützenden elektronischen Schaltungen erreichen.
• . Die Schutzelemente haben überhaupt keinen Einfluß auf die Struktur und den Aufbau der elektronischen Schaltungen der modularen Elemente. Diese bleiben gleich, mit oder ohne Schutz. Daraus folgt also aufgrund dieser Austauschbarkeit eine größere Anpaßbarkeit und eine größere Verfügbarkeit der modularen Elemente.
• . Die Schutzschaltungen sind im Inneren eines äußeren Gehäuses eingeschlossen, das sich an einer Stelle befindet, wo es keine Gefahr einer Störung der elektronischen Schaltungen gibt, wobei dieses Gehäuse und die Tragstrukturen der Schutzschaltungen so ausgebildet sind, daß sie die besten Betriebsbedingungen und insbesondere die besten Wärmeübertragungen gewährleisten.
• Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung als nicht beschränkend zu verstehendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
• Figur 1 ist eine schematische Darstellung, die in Perspektive von hinten einen Rahmen zeigt, der modulare Elemente aufnimmt.
• Figur 2 ist ein schematischer Schnitt, der das Verbindungsprinzip eines Verbindungsmoduls mit einem am Boden des Rahmens befestigten Verbinder zeigt.
• Figur 3 zeigt die innere Struktur eines Schutzmoduls.
• Figur 4 zeigt schematisch eine Übergangsmatrix, die auf der am Boden des Rahmens vorgesehenen Verbindungsschaltung ausgebildet ist.
• Im in Figur 1 gezeigten Beispiel besitzt der parallelepipedische Rahmen 1 einen Boden 2 und auf der diesem Boden entgegengesetzten Seite eine offene Vorderseite 3, durch die elektronische Module M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; in der Art von Schubladen eingeführt sind, die zum Beispiel aus Rechnerelementen bestehen können.
• Innerhalb des Rahmens 1 ist parallel zum Boden und in geringem Abstand zu diesem eine Druckschaltungskarte 4 angeordnet, die zur Verbindung der Module M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; miteinander und mit den äußeren Schaltungen dient, an die der Rahmen angeschlossen ist.
• Die Verbindungen zwischen dieser Druckschaltungskarte 4 und den elektronischen Modulen M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; werden von einsteckbaren Verbindern C&sub1;-C'&sub1;, C&sub2;-C'&sub2;, C&sub3;-C'&sub3;, C&sub4;, C&sub5;, C&sub6; gewährleistet, die auf der Karte 4 und den Rückseiten der Module M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; vorgesehen sind.
• Die Verbindungen zwischen der Verbindungskarte 4 und den äußeren Schaltungen erfolgen hier über einen Verbinder CE, der auf einer der Seitenflächen des Rahmens 1 vorgesehen ist.
• Erfindungsgemäß sind die Schaltungen der Verbindungskarte 4, die die Verbindungen zwischen den den modularen Elementen M&sub1; bis M&sub3; zugeordneten Verbindern C&sub1; bis C&sub6; und dem Verbinder CE gewährleisten, so angeordnet, daß sie eine Übergangsmatrix (Block 6) bilden, zum Beispiel von der Art, die in Figur 4 dargestellt ist, von der jeder Punkt P&sub1;&sub1;, P'&sub1;&sub1; bis Pn7, P'n7 mit einem Verbindungsorgan eines Verbinders 7 verbunden ist, der am Boden 2 des Rahmens 1 montiert ist, z.B. in der in Figur 2 dargestellten Art.
• In diesem Beispiel enthält der Verbinder 7 eine Vielzahl von Verbindungsorganen O&sub1; bis O&sub9; von der Art Kontakthülse, die in einen isolierenden Träger 8 montiert und je mit Punkten der Übergangsmatrix 6 der Verbindungskarte 4 verbunden sind.
• Dieser Verbinder 7, der eine Öffnung im Boden 2 des Rahmens 1 durchquert und der an diesem Rahmen mittels Schrauben 9 befestigt ist, soll einen Verbinder 10 der Art Kontaktstecker aufnehmen, der fest mit einem Schutzmodul 11 verbunden ist.
• Dieser Schutzmodul 11, der einen austauschbaren ge normten Block bildet, besteht aus einem metallischen oder mit einer Metallschicht bedeckten Gehäuse 12 parallelepipedischer Form, dessen vorderer Bereich aus dem Kontaktstecker besteht, der eine Vielzahl von leitenden Stiften B&sub1; bis B&sub9; enthält, die in einen isolierenden Träger 13 montiert sind, der die Vorderwand des Gehäuses 12 bildet.
• Jeder dieser Stifte B&sub1; bis B&sub9; ist mit einer Schutzschaltung verbunden, die von einer Druckschaltungskarte 14 getragen wird, die im Inneren des Gehäuses 12 angeordnet ist.
• Im in Figur 2 gezeigten Beispiel sind nur drei Schutzschaltungen zwei verschiedener Arten dargestellt, d.h.:
• - zwei Blitzschutzschaltungen, die je eine Blitzdiode D&sub1;, D&sub2; verwenden, die einen Stift B&sub7;, B&sub8; mit Masse verbindet (Stift B&sub9;),
• - eine Schaltung zum Schutz gegen elektromagnetische Störungen IEM, die eine Induktivität L&sub1; enthält, deren Klemmen je mit einem der Stifte und über einen Kondensator CO&sub1;, CO&sub2; mit Masse verbunden sind, um ein Pi-Filter zu bilden.
• Natürlich kann jede Schutzschaltung in Kombination eine Schutzschaltung gegen elektromagnetische Störungen und eine Blitzschutzschaltung aufweisen, deren Blitzdiode stromaufwärts vor der Induktivität angeschlossen ist.
• Vorteilhafterweise enthält die doppelseitige Platte 14 ein Keramik- oder FR4-Substrat, das an einem Rand zwei Kontaktstäbe besitzt, an die die Stifte B&sub1; bis B&sub9; angelötet und in Form eines "Chip on Board" zusammengebaut sind, die Blitzdioden D&sub1;, D&sub2; und die Filter L&sub1;, CO&sub1;, CO&sub2;.
• Natürlich können die Leistung und die Spannung der Dioden D&sub1;, D&sub2; (Breakdown) aus vorbestimmten Werten ausgewählt werden. Gegebenenfalls können diese Dioden D&sub1;, D&sub2; in Reihe angeordnet sein.
• Auch wird der Wert der Impedanz L&sub1; und der Kondensatoren CO&sub1;, CO&sub2; in Abhängigkeit von der Art der Störungen bestimmt, die man filtern möchte.
• Es hat sich herausgestellt, daß die Blitzschutzschaltungen nur eine einfache Verbindung an einem Punkt P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;- Pn7-P'n7 der Übergangsmatrix 6 erfordern, und dies ohne Unterbrechung der Leitung L&sub1;, L&sub2; ... Ln der durch diesen Punkt verlaufenden Verbindungsschaltung.
• Daher kann, wenn er nur Blitzschutzschaltungen enthält, der Schutzmodul 11 entfernt werden, ohne daß sein Abklemmen den Betrieb des Rahmens 1 stört.
• Dagegen erfordern die Schaltungen zum Schutz gegen elektromagnetische Störungen die Montage der Induktivität L&sub1; in Reihe auf der Leitung und somit eine Unterbrechung dieser Leitung zwischen den beiden Punkten, an denen diese Induktivität L&sub1; angeschlossen wird.
• Es ist klar, daß in diesem Fall das Abklemmen des Schutzmoduls 11 nicht erfolgen kann, ohne eine Störung des Betriebs des Rahmens 1 zu verursachen, und es muß von einem Vorgang gefolgt werden, der die Kontinuität der Leitungen L&sub1;, L&sub2;, ... Ln wiederherstellt, die aufgrund dieses Abklemmens unterbrochen wurden.
• Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer für Schutzmodule geeigneten Übergangsmatrix 6, die Schutzschaltungen verwendet, welche die Unterbrechung der zu schützenden Leitungen L&sub1;, L&sub2;, ... Ln bedingen oder auch nicht.
• Diese Übergangsmatrix 6 besitzt eine Oberfläche, die im wesentlichen dem Verbindungsbereich des Verbinders 7 identisch ist, und sie ist so ausgebildet, daß sie von n Leitungen der Verbindungskarte 4 durchquert wird, die man schützen will.
• Auf dieser Fläche ist jede Leitung L&sub1;, L&sub2;, ... Ln zwischen einem Paar von Punkten P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;, P&sub1;&sub2;-P'&sub1;&sub2; usw. unterbrochen, an die je zwei Verbindungsorgane O&sub1; bis O&sub9; des Verbinders 7 angeschlossen werden.
• Die verschiedenen Paare von Punkten P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;, P&sub1;&sub2;-P'&sub1;&sub2;, usw. sind so ausgebildet, daß sie eine Punktematrix bilden, die mit der Matrix von Verbindungsorganen O&sub1;, O&sub9; des Verbinders 7 zusammenfällt.
• Wenn man auf einer Leitung L&sub1; ... Ln nur einen Blitzschutz gewährleisten will, sind die Verbindungselemente B&sub1;, B&sub9; des Schutzmoduls 11, die dem dieser Leitung entsprechenden Paar von Punkten P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;, P&sub1;&sub2;-P'&sub1;&sub2; entsprechen, miteinander über eine leitende Verbindung (nicht dargestellt) sowie mit einer Schutzschaltung verbunden, die eine Blitzdiode D&sub1;, D&sub2; enthalten kann, die mit Masse verbunden ist.
• Wen man dagegen eine Leitung vor elektromagnetischen Störungen schützen will, sind die Schutzelemente des Schutzmoduls, die dem dieser Leitung entsprechenden Paar von Punkten P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;, P&sub1;&sub2;-P'&sub1;&sub2; usw. entsprechen, miteinander über eine Induktivität L und mit Masse in Bezug auf zwei Kondensatoren CO&sub1;, CO&sub2; verbunden.
• Wenn man den Rahmen 1 nicht schützen will, ist es notwendig, anstelle eines Schutzmoduls einen Verbindungsmodul zu verwenden, der so ausgebildet ist, daß er eine elektrische Verbindung zwischen jedem Paar von Punkten P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;, P&sub1;&sub2;-P'&sub1;&sub2; gewährleistet.
• Es ist also klar, daß aufgrund dieser Maßnahmen der Benutzer zu jedem Zeitpunkt den Blitzschutz und/oder den Schutz gegen elektromagnetische Störungen weglassen oder wieder herstellen kann, ohne den Rahmen und/oder seine modularen Elemente verändern zu müssen: ein einfaches Auswechseln des Schutzmoduls 11 durch einen anderen Schutzmodul oder sogar durch einen Verbindungsmodul reicht aus.
• Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die Schutzschaltungen der Schutzmodule leicht überprüft werden können, ohne auf den Rahmen oder die von ihm umschlossenen modularen Elemente einwirken zu müssen.
• Vorteilhafterweise kann das Konzept der Schutzschaltungen von der Struktur der Übergangsmatrix und der ihr zugeordneten Verbinder abhängen.
• So können die Stifte des in den Schutzmodul integrierten Verbinders eine Matrixanordnung ähnlich der der Übergangsmatrix aufweisen.
• In diesem Fall ist jede Reihe von Stiften B&sub1; bis B&sub9; in einem isolierenden Träger S&sub1; S&sub2; ... Sn angeordnet, der so ausgebildet ist, daß er auf den isolierenden Träger gestapelt werden kann, der einer benachbarten Reihe zugeordnet ist (Figur 3).
• Außerdem sind die Stifte B&sub1; bis B&sub9; der gleichen Reihe von Stiften mit Schaltungen verbunden, die auf der gleichen Seite einer Druckschaltungskarte 14 liegen (wobei die auf den beiden Seiten der Platte liegenden Schaltungen je mit den Stiften verbunden sind, die von zwei aufeinanderfolgenden Trägern S&sub1; ... Sn getragen werden).
• Aufgrund einer solchen Ausbildung ist es möglich, den Schutzmodul leicht an die Größe des auf dem Rahmen vorhande nen Schutzverbinders anzupassen.
• Man erhöht so die Flexibilität und die Anpaßbarkeit der Schutzvorrichtung.
• Ihre zuverlässigkeit und ihre Wirksamkeit können leicht erhöht werden, da man für die Herstellung der Schutz module die geeignetsten Materialien verwenden kann, insbesondere um hohen Temperaturen zu widerstehen und um die notwendigen Wärmetransfers zu gewährleisten, insbesondere nach außen, und dies ohne Gefahr, die Bauteile des Rahmens und/oder der in ihm enthaltenen elektronischen Module zu beschädigen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Schutz einer elektronischen Anlage vor Störungen, die von Phänomenen erzeugt werden, welche die Außenumgebung beeinflussen, in der sie sich befindet, wobei diese Anlage einen Rahmen (1) aufweist, in den modulare funktionelle Elemente (M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;) eingesetzt werden können, die miteinander und mit äußeren Schaltungen über eine Verbindungsschaltung (4) verbunden sind, die am Boden des Rahmens vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie verwendet:

- einerseits ein erstes Verbinderelement (7), das auf den Rahmen (1) montiert ist und dessen Verbindungsorgane (O&sub1; bis O&sub9;) elektrisch mit Leitern (L&sub1;, L&sub2; ... Ln) der Verbindungsschaltung (4) verbunden sind, die Ausbreitungsvektoren der Störungen bilden können, und

- andererseits einen Schutzmodul (11), der ein Gehäuse (12) aufweist, das Schutzschaltungen aufnimmt, die den Leitern (L&sub1;, L&sub2; ... Ln) zugeordnet und elektrisch mit Verbindungsorganen (B&sub1; bis B&sub9;) eines zweiten Verbinderelements (10) verbunden sind, das sich an das erste Verbinderelement (7) anschließen kann, um eine abschaltbare elektrische Verbindung zwischen den Leitern (L&sub1;, L&sub2; ... Ln) und den entsprechenden Schutz schaltungen zu gewährleisten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (L&sub1; bis Ln) der Verbindungsschaltung, die die Verbindungen zwischen den modularen Elementen (M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;) und den äußeren Schaltungen gewährleisten, so angeordnet sind, daß sie eine Übergangsmatrix (6) bilden, von der jeder Punkt (P&sub1;&sub1;, ... Pn7, P'&sub1;&sub1;, ... P'n7), der mit einer entsprechenden Leitung (L&sub1; bis Ln) in elektrischem Kontakt steht, mit einem Verbindungsorgan (O&sub1; ... O&sub9;) des ersten Verbinderelements (7) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltungen mindestens eine Blitzschutz-Diode (D&sub1;, D&sub2;) aufweisen, die zwischen Masse und mindestens einem der Punkte der Übergangsmatrix (6) über die beiden Verbinderelemente (7, 10) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Leitungen (L&sub1; ... Ln) der Verbindungsschaltung (4), die die Verbindungen zwischen den modularen Elementen (M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;) und den äußeren Schaltungen gewährleistet, so angeordnet ist, daß er eine Übergangsmatrix (6) bildet, und daß jede der Leitungen (L&sub1; ... Ln) zwischen zwei Punkten unterbrochen ist, die sich in der Übergangsmatrix (6) befinden und mit zwei Verbindungsorganen des ersten Verbinderelements (7) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmodul (11) Mittel aufweist, die es ermöglichen, mit Hilfe der beiden Verbinderelemente (7, 10) eine elektrische Verbindung zwischen zwei Punkten der gleichen Leitung (L&sub1; ... Ln) zu gewährleisten, mit einer eventuellen Verbindung mit Masse über eine Blitzschutzschaltung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmodul eine Schutzschaltung aufweist, die zwischen die beiden Punkte (P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;) der gleichen Leitung (L&sub1;) mit Hilfe der beiden Verbinderelemente (7, 10) geschaltet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung eine Impedanz (L&sub1;), die zwischen den beiden Punkten (P&sub1;&sub1;-P'&sub1;&sub1;) angeschlossen ist, und zwei Kondensatoren (CO&sub1;, CO&sub2;) aufweist, die jeden der Punkte mit Masse verbinden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmodul (11) ein Gehäuse (12) aufweist, dessen vorderer Bereich aus einem Verbinderelement (10) besteht, das mindestens eine Reihe von Verbin dungsorganen (B&sub1; bis B&sub9;) enthält, die in einen isolierenden Träger (13) montiert sind, und daß die Schutzschaltungen und/oder Verbindungsschaltungen von mindestens einer Druckschaltungsplatte (14) getragen werden, die im Gehäuse angeordnet und elektrisch mit den Verbindungsorganen (B&sub1; bis B&sub9;) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinderelement (10) des Schutzmoduls (11) eine Vielzahl von Reihen von Verbindungsorganen (B&sub1; bis B&sub9;) aufweist, die je auf eine Vielzahl von isolierenden Trägern (S&sub1;, Sn) montiert sind, die übereinander gestapelt sind, und daß das Gehäuse (12) eine Vielzahl von doppelseitigen Druckschaltungsplatten (14) einschließt, von denen jede Seite elektrisch mit einer entsprechenden Reihe von Verbindungsorganen (B&sub1; bis B&sub9;) verbunden ist.