8 Импульсные устройства

Устройства, работающие в прерывистом (дискретном ) режиме, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов, называют импульсными. Импульсные устройства предназначены для формирования, преобразования и генерирования импульсных сигналов – импульсов. Под импульсом понимают кратковременное изменение напряжения (тока, рисунок 77) в электрической цепи от нуля до некоторого постоянного уровня . Различают видео– и радиоимпульсы. Видеоимпульс представляет собой кратковременное изменение напряжения (тока) в цепи постоянного тока, постоянная составляющая(среднее значение) которого отличается от нуля . Идеализированные видеоимпульсы имеют различную форму.

Различают видеоимпульсы положительной и отрицательной полярности, а также двусторонние (разнополярные).

Радиоимпульс – это кратковременный пакет высокочастотных колебаний напряжения или тока, огибающая которых имеет форму видиоимпульса.

Одиночный импульс и последовательность импульсов характеризуется следующими параметрами: амплитудой , длительностью ; длительностью переднего фронта ; длительностью заднего фронта (среза) ; спадом вершины ; средним значением , , ; мощностью в импульсе ; действующим значением , , ; длительностью паузы между импульсами , периодом повторения Т и скважностью Q.

Амплитуда импульса. Максимальное напряжение (ток) импульса называется амплитудой (рисунок 78). В маломощных импульсных устройствах обычно применяют импульсы напряжения с амплитудой от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт; в мощных импульсных устройствах – от десятков вольт до десятков киловольт. В таком же широком диапазоне изменяются амплитуды импульсов тока; в маломощных импульсных устройствах – от долей миллиампера до долей ампера; в мощных импульсных устройствах – от долей ампера до десятков тысяч ампер.

Длительность импульса. Под длительностью импульса понимают промежуток времени между моментом возникновения и исчезновения импульса. Иногда длительность импульсов определяют по длительности основания, иногда на уровне , либо . В последнем случае длительность импульса называют активной. Длительность импульса зависит от назначения, например, в автоматике используют импульсы длительностью , в импульсной сварке – от , в импульсном электроприводе – примерно , в импульсной радиосвязи – микросекундного диапазона, в физике быстрых частиц – наносекундного диапазона, в промышленной электронике – .

Длительность фронтов импульса. Под фронтом понимают боковую сторону импульса. Различают передний и задний фронты, последний называют срезом импульса. Длительность переднего фронта определяет время нарастания импульса, а длительность заднего – время спада импульса. Для описания формы реального импульса наиболее часто используют понятие активной длительности фронта и среза импульса. Активную длительность фронта и среза соответственно отсчитывают между уровнями . Длительности и по сравнению с , тем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда вместо длительности фронта (среза) форму импульса характеризуют крутизной фронта (среза) , под которой понимают скорость нарастания (убывания) импульса. Крутизна фронта (срезе) измеряется в вольтах на секунду (В/с) или амперах на секунду (А/с).

Спад вершины импульса. Вершина прямоугольного импульса во многих случаях соответствует рабочей части импульса и поэтому стремится обеспечивать ее постоянство. Из–за несовершенства формирователей и генераторов импульсов происходит спад вершины . Спад вершины импульса желательно иметь возможно меньшим. Часто требуется, чтобы было не более . Вместо абсолютной величины спада часто используют относительную, определенную как или .

У некоторых импульсов, например, треугольных пилообразных и др. Вершина отсутствует и фронт сразу переходит в срез.

Период повторения импульсов Т – отрезок времени между началом (концом) двух соседних однополярных импульсов. Величина обратная, периоду повторению, называется частотой повторения (следования) импульсов f. Частота повторения импульсов зависит от назначения, например, в промышленной электронике от десятых долей герца до десятков мегагерц и выше

Скважность импульсов – отношение периода повторения к длительности импульса . Скважность величина безразмерная и всегда больше единицы. В промышленной электронике скважность импульсов составляет от 1,1 до десятков тысяч. Скважность отражает возможность накопления больших энергий и мощностей в течении сравнительно большой паузы между импульсами и генерирования этой энергии во время кратковременного импульса. Скважность является энергетической характеристикой импульсного устройства. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения импульсов:

.

Среднее значение импульса. Для определения энергетических свойств импульсного устройства и характеристик энергетического воздействия импульса на нагрузку вводят понятие среднего значения импульса ( постоянной составляющей импульса). Обычно различают среднее значение за период и за время длительности импульса. Среднее значение напряжения, тока и мощности импульса за период соответственно:

;

;

;

где , и – соответственно среднее значение напряжения, тока и мощности за время длительности импульса;

.

Действующее значение импульса. По аналогии со средним значением импульса различают действующее значение импульса за период и за время длительности импульса. Действующее значение напряжения , тока и мощности за период соответственно:

;

;

.

Импульсные устройства можно разделить на два вида: маломощные (информационные) и мощные (силовые).

Импульсы для мощных и маломощных устройств формируются линейными и нелинейными цепями с пассивными и активными элементами. На вход таких цепей подают сигналы синусоидальной или не синусоидальной формы: на выходе получают импульсы с заданными параметрами. При этом формирование выходных импульсов происходит в промежутках времени, пока действует входной сигнал.

Простейшими линейными формирующими цепями являются дифференцирующие и интегрирующие цепи, формирующие линии с распределенными и сосредоточенными параметрами и др.

В более сложных формирователях импульсов применяют сочетание линейных формирователей цепей с электронными элементами импульсных устройств.

Схема идеального ключа и его нагрузочная характеристика рисунок 79,а. В статических режимах ключ находится в одном из двух состояний равновесия, включен или выключен и не потеряет энергии.

Во включенном состоянии внутреннее сопротивление идеального ключа равно нулю, а в выключенном бесконечности следовательно , а ток через ключ . Во включенном и , а .

Ключ можно перевести из одного состояния в другое управляющим напряжением или током мгновенно, так что на выходе возникают скачки напряжения с амплитудой . При периодической коммутации ключа выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов. Коэффициент передачи ключа по току и напряжению в моменты включения и выключения соответственно:

Реальные ключи всегда имеют конечное внутреннее сопротивление в каждом состоянии, а также обладают некоторой емкостью рисунок 79,б.

Генерирование импульсов осуществляется несимметричными устройствами с самовозбуждением или с внешним запуском. У генераторов с внешним запуском входной сигнал управляет лишь моментом возникновения генерации, а далее генерация происходит за счет внутренних процессов в схеме. Оба генератора относят к большому классу устройств, называемых регенеративными. Регенеративные устройства характеризуются ПОС, которая вызывает лавинообразный процесс в схеме и приводит к скачкообразному изменению состояния схемы, т.е. к скачкам напряжения и тока.

К регенеративным импульсным устройствам относятся триггеры, мультивибраторы, одновибраторы, блокинг–генераторы и др.

На формируются импульсы, форма которых определяется свойствами ФУ. Если ФУ отсутствует на формируются прямоугольные импульсы.

Простейшие схемы мощных формирователей импульсов с емкостным и индуктивным накопителем.

С увеличением мощности в импульсе и скважностью формирователь становится неэкономичным, т.к. мощность источника питания должна быть равна мощности импульса.

Поэтому используют накопители энергии (либо электростатический в емкости, либо электромагнитный в дросселе с индуктивностью, индуктивный).

Емкостной при включенном ключе напряжение на конденсаторе в конце процесса заряда достигает максимальной величины и накапливаемая энергия . При включении ключа, происходит быстрый разряд конденсатора, определяемый постоянной времени . Мощность в импульсе . Для обеспечения большой длительности процесса заряда по сравнению с процессом разряда необходимо условие .

В схеме с индуктивным накопителем рисунок 81,а процесс заряда происходит при замкнутом ключе.

Накопление энергии в дросселе с индуктивностью L осуществляется по мере нарастания тока заряда. При достаточно малых сопротивлениях обмотки дросселя L и внутреннего сопротивления источника питания можно получить большой ток в конце процесса заряда. Накопленная магнитная энергия:

,

где – ток в конце заряда.

Процесс заряда происходит при выключенном ключе с постоянной времени: .

Мощность в импульсе

Построение регенеративных электронных ключей с S и N – образными характеристиками, которые имеют участок обратного сопротивления.

В зависимости от типа связи регенеративные устройства делят на триггеры (с резистивной связью), мультивибраторы (с емкостной связью), блокинг–генераторы ( с трансформаторной связью). Триггеры и мультивибраторы обычно выполняют на двухкаскадных ключах, блокинг–генраторы – однокаскадных.

По способу (режиму) работы все регенеративные устройства можно разделить на три класса: с двумя состояниями устойчивого равновесия и другим состоянием квазиравновесия (неустойчивого равновесия); с двумя состояниями квазиравновесия. Обычно состояние устройства определяется состоянием входящих в него ключей (включен, выключен).

Устройства первого класса могут неограниченно долго находится в одном или другом состоянии устойчивого равновесия. При чем это первоначальное состояние зависит от случайных причин и каждый раз при включении источника питания разное состояние. Перевод таких устройств из одного состояния в другое осуществляется скачком под действием внешнего запускающего импульса.

Возврат устройства в первоначальное состояние происходит также скачком, но под действием следующего импульса. Таким образом, под действием запускающих двух импульсов устройства вырабатывают один импульс. К такому классу устройств относятся триггеры, а рассматриваемый режим работы называется триггерным.

Устройства второго класса могут неограниченно долго находится в одном строго определенном состоянии устойчивого равновесия. Называемым исходным. Под воздействием запускающего импульса эти устройства переходят скачком в другое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии в устройствах происходит медленные внутренние процессы, обусловленные чаще всего разрядом конденсаторов. В конце процесса разряда возникает обратный скачок и восстанавливается исходное состояние равновесия. Длительность состояния квазиравновесия полностью определяется параметрами схемы. Таким образом такие устройства на один импульс на входе – на выходе генерируют один импульс. В этот класс устройств входят одновибраторы, а описанный режим часто называют одновибраторным. Одновибраторы называют также ждущими (заторможенными) генераторами, например, ждущий мультивибратор, ждущий блокинг–генератор.

Устройства третьего класса ни имеют, ни одного состояния устойчивого равновесия и без воздействия внешних сил поочередно переходят из одного состояния квазиравновесия в другое, т.е. являются автогенераторами, а такой режим называется автогенераторным. К этому классу устройств относятся мультивибраторы, блокинг–генераторы и др. Устройства последних двух классов называют также релаксациоонными.