5.2. Имитаторы импульсных напряжений

Имитаторы импульсных помех (ИИП) применяются для измерения восприимчивости ЦТС к воздействию импульсных помех из сети питания и к воздействию импульсных электрических и магнитных полей. Одно из первых сообщений о разработке имитаторов импульсных и длительных помех из сети питания было сделано в 1966 г.. М. Л. Тэндоном (Tandon) [87]. Основные идеи, изложенные в сообщении, впоследствии легли в основу ряда разработок имитаторов помех как за рубежом, так и в нашей стране. Имитаторы импульсных помех содержат накопитель энергии и разрядный ключ. В качестве накопителя используются длинная линия [87], емкость или индуктивность. Импульсы напряжения на выходе ИИП чаще всего формируются при разряде заряженных накопительной длинной линии или накопительного конденсатора на активное сопротивление (рис. 5.1). Соответственно выходной импульс близок к прямоугольной и экспоненциальной форме.

В зависимости от предназначения имитатора выход

Рис. 5.1. Формирующие каскады имитаторов импульсных помех с накопительной линией (а), накопительной емкостью (б) и с накопительной индуктивностью (а)

Рис. 5.2. Подсоединение выхода имитатора импульсных помех К сети питания (а), к электрической (б) и магнитной (а) антеннам

формирующего каскада может подсоединяться к сети питания переменного или постоянного тока (рис. 5.2, а), к емкостной или индуктивной антеннам (рис. 5.2, б, в).

Разряд обычно осуществляется с помощью управляемого электромеханического или электронного ключа. Однако имеются примеры применения и неуправляемых ключей — разрядников. В качестве электромеханического ключа обычно используются электромагнитные реле. Применение реле не требует сложных схем управления и дает возможность обеспечить весьма крутые фронты формируемых импульсов (до 10—20 не).

Недостатками реле являются вибрация контактов, эрозия контактов при больших разрядных токах, недостаточное пробивное напряжение межконтактного промежутка, относительно низкая максимальная частота повторения импульсов (до 100—200 Гц). Указанные недостатки в меньшей степени свойственны ртутным реле.

Разрядники бывают воздушные и с электродами, расположенными в газовой среде.

В качестве электронных ключей обычно используются мощные тиратроны с подогреваемым катодом. Недостатками тиратранов являются менее крутые фронты формируемых импульсов (до 30—50 не), высокое значение минимальной амплитуды импульсов (до 200—300 В), более сложная схема управления.

Формирующий каскад имитатора с накопительной индуктивностью дан на рис. 5.1, в. Здесь обмотка дросселя Др периодически подключается к источнику постоянного напряжения Е управляющим ключом К? После подключения обмотки ток через нее и тем самым энергия магнитного поля дросселя начинают расти. В момент отключения обмотки от источника питания напряжение на повышающей обмотке скачком вырастает до величины, при которой происходит искровой пробой разрядника Р. При этом разрядный резистор оказывается подсоединенным к обмотке и по нему протекает экспоненциально спадающий ток до тех пор, пока не израсходуется энергия магнитного поля дросселя или не восстановится

высокое сопротивление разрядника. Основные недостатки такого имитатора состоят в том, что амплитуду выходного импульса нельзя плавно менять и, кроме того, значения амплитуды меняются от импульса к импульсу. Это связано с тем, что напряжение пробоя разрядника зависит от остаточной ионизации межэлектродного газа, его давления и температуры. Если нестабильность пробивного напряжения разрядника характеризовать отношением где U — математическое ожидание значения пробивного напряжения, а среднее квадратическое отклонение значений пробивного напряжения, то, как показало соответствующее исследование, для открытых воздушных разрядников это отношение достигает 0,14, для ртутных разрядников, заполненных водородом, — 0,065. Для сравнения оценивалась и нестабильность амплитуды импульсов имитаторов с емкостным накопителем и тиратронным управляемым разрядником. Она оказалась равной всего 0,004. Таким образом, стабильность выходных сигналов имитаторов с управляемым газоразрядным разрядником выше на порядок, что имеет первостепенное значение при измерениях восприимчивости ЦТС к внешним импульсным помехам.

Ориентировочный расчет формирующих каскадов

Для выполнения расчета параметров формирующих каскадов исходными данными являются амплитуда , длительность и период следования Т импульсов.

Имитатор с накопительной длинной линией

Импульс на разрядном сопротивлении должен по возможности меньше зависеть от сопротивления нагрузки. Для этого значение должно быть возможно меньшим. В частности, для имитаторов импульсных помех из сети питания сопротивление не должно превышать 5— 50 Ом.

Для формирования импульсов в ИИП с накопительной длинной линией используется переходный процесс, вызванный замыканием заряженной до напряжения Е линии на резистор сопротивление которого равно волновому сопротивлению линии. При этом на образуется прямоугольный импульс с амплитудой, равной , и длительностью

где l — длина линии; скорость распространения волны в линии скорость света, е — коэффициент укорочения волны, например для коаксиального кабеля типа

Для того чтобы длинная линия и разрядный резистор были согласованы, необходимо выполнить равенство где — волновое сопротивление линии.

Обычно в качестве длинной линии используется коаксиальный кабель, но волновое сопротивление кабеля относительно велико (50—150 Ом). Поэтому длинную линию приходится выполнять из нескольких параллельно соединенных кабелей. При этом где п — число кабелей. Тогда

Длину одного кабеля находим из (5.1):

Для обеспечения заряда кабеля от источника питания Е необходимо, чтобы постоянная времени цепи заряда удовлетворяла неравенству

Но постоянная времени , где — емкость на единицу длины коаксиального кабеля.

Таким образом,

Выбор передаточной емкости для схемы рис. 5.2, а определяется двумя обстоятельствами.

Во-первых, падение переменного напряжения промышленной частоты со на резисторе должно быть возможно меньшим (по крайней мере, на порядок меньше номинального напряжения в сети). Для этого необходимо, чтобы Следовательно,

Во-вторых, постоянная времени нагрузки должна быть существенно больше (по крайней мере, на порядок) длительности импульса чтобы на емкости не накопилось большой части напряжения импульса.

Для этого необходимо, чтобы Следовательно,

Неравенства (5.3) и (5.4) можно переписать в виде (для частоты 50 Гц)

Необходимые мощность источника питания и мощности рассеиваемые на резисторах равны:

Имитатор с накопительной емкостью

При разряде емкости С, заряженной до напряжения Е, на сопротивление на последнем возникает импульс экспоненциальной формы с амплитудой, примерно равной Е, и с длительностью, равной (на уровне 0,5 Е):

Значение С определяется из (5.7).

В остальном расчет практически не отличается от случая с накопительной длинной линией. Постоянная времени заряда емкости определяется согласно (5.2). Сопротивление зарядного резистора Передаточная емкость должна удовлетворять условию (5.5). Мощность источника питания Мощности, рассеиваемые на резисторах и определяются согласно (5.6).

Условия эквивалентности способов формирования импульсов

Представляет интерес решение следующей задачи: как должны соотноситься параметры прямоугольного и экспоненциального импульсов помех, чтобы эффект от их воздействия на устройство был примерно одинаков. Используем для этой цели спектральные функции для одиночных импульсов. (Период повторения в ИИП настолько превосходит длительность импульсов, что последние вполне можно считать одиночными).

Модуль спектральной функции для прямоугольного импульса с амплитудой и длительностью равен:

Модуль спектральной функции для экспоненциального импульса с амплитудой и постоянной времени экспоненты равен:

Потребуем, чтобы примерно совпадали для малых и больших частот:

откуда

Для больших частот функцию заменим ее действующим значением, равным тогда

и, следовательно,

С учетом (5.8)

Но длительность прямоугольного импульса а длительность экспоненциального импульса на уровне равна таким образом,

откуда

Итак, экспоненциальный импульс примерно равноценен прямоугольному, если его амплитуда больше в 1,4 раза, а длительность меньше в 2 раза, чем у прямоугольного импульса. Для иллюстрации на рис. 5.3 приведены упомянутые импульсы и их спектральные функции.

Рис. 5.3. Прямоугольный и экспоненциальный импульсы (а) и их спектральные функции (б)

Некоторые схемы и технические характеристики имитаторов импульсных напряжений

Имитаторы импульсных напряжении отечественной промышленностью серийно пока не выпускаются. Поэтому ниже кратко описан ряд нмнтаторов, разработанных в период 1968-1978 гг. в СКВ вычислительных машин (г. Вильнюс).

Рис. 5.4. Схема имитатора

Первым из них имитатор ИП-1 [88]. Его упрощенная принципиальная схема приведена на рис. 5.4. Накопителем энергии в имитаторе служит длинная линия Л, выполненная коаксиального кабеля типа с волновым сопротивлением, равным 50 Ом. Заряд кабеля осуществляется от внешнего регулируемого высоковольтного источника напряжения Е через зарядный резистор Имитатор может работать в однократном и периодическом режимах. В первом случае разрядным ключом служит кнопка К, во втором случае — контакты реле Р. Питание реле с помощью переключателя П осуществляется полуволнами переменного напряжения от любой из фаз сети. При этом реле с частотой 50 Гц включает свои контакты синхронно с напряжением сети на выбранной фазе. Прямоугольные импульсы с разрядного резистора через передающие емкости с помощью выключателей могут быть переданы в фазные или нулевой провода сети питания.

Имеется возможность подсоединить к имитатору электрическую (в гнезда Э) магнитную (в гнезда М при разомкнутом выключателе ) антенны.

Технические характеристики ИП-1

Ограниченные возможности прибора по максимальной амплитуде импульсов, а также наличие дополнительных импульсов с неконтролируемой амплитудой, вызванных дребезгом контактов реле,

Рис. 5.5. Схема имитатора с накопительной емкостью

способствовали появлению имитаторов ИП-2 [89], ИИП [90] и И-1 [91], в которых накопителем служит емкость, а разряд осуществляется импульсным тиратроном с подогреваемым катодом. Упрощенные принципиальные схемы этих приборов схожи (рис. 5.5). Отличаются они в основном конструкцией и динамическим диапазоном амплитуд импульсов напряжения. В ИП-2 и в ИИП это 200—1200 В, в .

Заряд накопительной емкости С осуществляется от выпрямителя В и контролируется вольтметром V. Напряжение на выпрямитель поступает из сети через автотрансформатор и повышающий трансформатор что дает возможность плавно изменять амплитуду импульсов. Ключом служит тиратрон Л, управляемый импульсами из схемы управления Последняя задает режим запуска тиратрона (периодический, однократный, ждущий), частоту повторения импульсов и их фазу относительно напряжения промышленной частоты. Импульсы экспоненциальной формы с разрядного резистора через передающую емкость могут быть переданы в фазные или нулевой провода сети питания. Имеется возможность подсоединить к имитатору электрическую (в гнезда Э) или магнитную (в гнезда М) антенны.

Технические характеристики имитаторов

В последнее время участились попытки применять для оценки восприимчивости ЦТС к внешним помехам экспоненциальные импульсы напряжения, параметры которых стандартизованы МЭК для испытаний устойчивости изоляции электромагнитных реле по отношению к импульсным напряжениям [92]. Амплитуда Е этих импульсов составляет (для разных групп жесткости испытаний) 1 и длительность на уровне 0,5 Е равна Значения параметров сигнала даны для ненагруженного источника. Выходное сопротивление источника равно 500 Ом (±10%), а энергия сигнала —

0,5 Дж (±10%). Схема источника сигналов приведена на рис. 5.6. По принципу действия она соответствует схеме на рис. 5.1, б.

Рис. 5.6. Схема источника экспоненциальных сигналов согласно стан-дартам МЭК 255-4, 255-5:

Е — источник высокого постоянного напряжения с большим внутренним сопротивлением; Р — управляемый разрядник; У — схема управления разрядником; О — выход синхронизации внешнего осциллографа

Имитаторы импульсов с высокочастотным заполнением

При работе релейных схем вследствие нскрення контактов образуются импульсные помехи с высокочастотным заполнением. При этом амплитуда процессов достигает значений в несколько киловольт, а частота заполнения — значений в несколько мегагерц.

Весьма схожие схемы для имитации такого рода помех регламентированы в стандарте Американского института электро- и радиоинженеров IEEE STD-472-1974 и в публикации МЭК 255-4 и приведены на рис. 5.7. В обеих схемах применены неуправляемые разрядники

Рис. 5.7. Схемы имитаторов согласно стандарту IEEE STD-472-1974 (а) и публикации МЭК 255-4 (б)

Р, которые при пробое возбуждают затухающие колебания в LС-колебательных контурах. Частота повторения процессов в схеме на рис. 5.7, а обусловливается частотой сети пнтання прибора, в схеме на рис. 5.7, б — постоянной времени заряда емкости С, через индуктивность Амплитуда выходных сигналов в схеме на рис. 5.7, а определяется напряжением пробоя разрядника Р и составляет 2,5-3 кВ. В схеме на рис. 5.7, б предусмотрено три выходных контакта, на которых амплитуды напряжения соответственно равны 0,5; 1 и

Значения других параметров процессов сведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Значения параметров процессов, имитируемых по IEEE STD - 472 и публикации МЭК 255-4

Как уже упоминалось выше, основным недостатком схем с неуправляемыми разрядниками является нестабильность амплитуды имитируемых процессов. Другой существенный недостаток — невозможность плавного изменения амплитуды имитируемых процессов. Казалось бы, что для целей контроля (а не определения) допускаемой восприимчивости ЦТС к стандартизованным значениям импульсных помех достаточно иметь имитатор с одним значением амплитуды имитируемого процесса. На деле это не так, поскольку подача импульсов помех с большой амплитудой допустима лишь для контроля заведомо исправных ЦТС. Если же в ЦТС имеются ошибки монтажа или случайно попали некачественные компоненты (например, с низким пробивным напряжением), то в ходе операции контроля восприимчивости могут быть необратимо повреждены обширные части аппаратуры ЦТС. Плавное изменение амплитуды выходных сигналов принципиально может быть достигнуто и в имитаторах с неуправляемым ключом, если применить разрядник с изменяемым расстоянием между электродами.