Импульсный модулятор. Импульсные модуляторы: принципы работы, компоненты и применение в радиопередатчиках

Как устроены импульсные модуляторы. Какие требования предъявляются к их компонентам. Какие виды коммутирующих устройств и накопителей энергии используются. Как работают импульсные модуляторы в радиопередатчиках.

Основные принципы работы импульсных модуляторов

Импульсные модуляторы являются важным компонентом многих радиопередающих устройств, особенно тех, которые работают в импульсном режиме. Их основная задача — формирование мощных модулирующих импульсов для управления работой генераторов СВЧ.

Ключевой принцип работы импульсного модулятора заключается в накоплении энергии в течение длительной паузы между импульсами и быстрой отдаче этой энергии в нагрузку во время короткого импульса. Это позволяет получить очень большую импульсную мощность при относительно небольшой средней мощности.

Какие основные компоненты входят в состав импульсного модулятора?

Типичный импульсный модулятор включает следующие основные элементы:

• Источник питания постоянного тока
• Накопитель энергии (обычно емкостного типа)
• Коммутирующее устройство
• Цепи управления коммутатором
• Формирующие цепи для получения требуемой формы импульса

Как происходит накопление и отдача энергии в импульсном модуляторе?

Процесс работы импульсного модулятора можно разделить на два этапа:

1. Зарядка накопителя энергии — происходит в течение паузы между импульсами. Накопитель медленно заряжается от источника питания.
2. Разрядка накопителя — при поступлении управляющего сигнала коммутатор замыкается, и накопленная энергия быстро отдается в нагрузку в виде мощного импульса.

Такой принцип позволяет получить очень большую импульсную мощность при относительно небольшой средней потребляемой мощности.

Требования к импульсным модуляторам

К импульсным модуляторам, используемым в передатчиках с импульсной анодной модуляцией, предъявляется ряд важных требований:

Какая мощность импульсов требуется от модуляторов?

Современные импульсные модуляторы должны обеспечивать очень большую импульсную мощность — от сотен киловатт до единиц мегаватт. При этом КПД модулятора должен быть высоким, чтобы минимизировать потери энергии.

Какие требования предъявляются к форме импульсов?

Форма выходных импульсов модулятора должна быть максимально близка к прямоугольной. Для большинства применений требуется:

• Малая длительность фронта (0.1-0.2 от длительности импульса)
• Малая длительность спада (0.2-0.4 от длительности импульса)
• Минимальные искажения вершины импульса (нестабильность не более 1-3%)

Какие еще параметры важны для импульсных модуляторов?

Помимо обеспечения требуемой мощности и формы импульсов, к модуляторам предъявляются и другие требования:

• Минимальная потребляемая мощность в цепях управления
• Высокая надежность и стабильность параметров
• Устойчивость к изменениям внешних условий (температура, давление и т.д.)
• По возможности малые габариты и вес

Коммутирующие устройства в импульсных модуляторах

Коммутирующее устройство (коммутатор) является ключевым элементом импульсного модулятора. Оно обеспечивает быстрое переключение накопителя энергии между режимами заряда и разряда.

Какие основные типы коммутаторов применяются в импульсных модуляторах?

В современных импульсных модуляторах используются три основных типа коммутирующих устройств:

• Электронные лампы (обычно тетроды)
• Газоразрядные приборы (тиратроны, разрядники)
• Полупроводниковые приборы (тиристоры)

В чем преимущества и недостатки электронных ламп как коммутаторов?

Электронные лампы обладают следующими достоинствами:

• Возможность работы как на замыкание, так и на размыкание цепи
• Практически безынерционное переключение
• Высокая устойчивость к перенапряжениям
• Стабильность параметров

Однако у них есть и существенные недостатки:

• Относительно большое внутреннее сопротивление
• Ограниченный ток эмиссии катода
• Необходимость использования цепей смещения

Каковы особенности газоразрядных коммутаторов?

Газоразрядные приборы (тиратроны, разрядники) имеют ряд преимуществ:

• Способность коммутировать очень большие токи
• Малое падение напряжения в открытом состоянии
• Высокий КПД
• Малая мощность управления

Их основные недостатки:

• Работа только на замыкание цепи
• Значительное время деионизации
• Разброс времени срабатывания

Накопители энергии в импульсных модуляторах

Накопитель энергии является вторым ключевым компонентом импульсного модулятора. Он обеспечивает накопление энергии во время паузы между импульсами и быструю отдачу этой энергии в нагрузку во время импульса.

Какие типы накопителей энергии используются в модуляторах?

В импульсных модуляторах применяются следующие основные типы накопителей:

• Конденсаторы
• Искусственные линии
• Линии с распределенными параметрами

В чем особенности использования конденсатора как накопителя?

Простой конденсатор является самым распространенным типом накопителя. Он может работать в двух режимах:

1. Режим частичного разряда — конденсатор разряжается не полностью. Обеспечивает хорошую форму импульса, но требует сложного коммутатора.
2. Режим полного разряда — конденсатор разряжается полностью. Проще в реализации, но форма импульса далека от прямоугольной.

Как работают искусственные линии в качестве накопителей?

Искусственные линии представляют собой цепочки из LC-ячеек. Их основные преимущества:

• Возможность получения импульсов почти прямоугольной формы
• Работа в режиме полного разряда
• Простота реализации коммутатора

Недостаток — более сложная конструкция по сравнению с простым конденсатором.

Применение импульсных модуляторов в радиопередатчиках

Импульсные модуляторы широко применяются в различных типах радиопередающих устройств, работающих в импульсном режиме.

В каких типах радиопередатчиков используются импульсные модуляторы?

Основные области применения импульсных модуляторов:

• Радиолокационные станции
• Системы связи с временным разделением каналов
• Импульсные радионавигационные системы
• Научные и медицинские СВЧ-установки

Какие преимущества дает использование импульсных модуляторов?

Применение импульсных модуляторов в радиопередатчиках обеспечивает ряд важных преимуществ:

• Возможность получения очень большой импульсной мощности
• Высокий КПД передатчика
• Улучшение энергетических характеристик радиосистемы
• Повышение помехоустойчивости и скрытности работы

С какими сложностями сталкиваются при разработке импульсных модуляторов?

Основные проблемы при создании импульсных модуляторов:

• Обеспечение требуемой формы импульсов при больших мощностях
• Выбор оптимального типа коммутатора
• Расчет и конструирование эффективных накопителей энергии
• Обеспечение электромагнитной совместимости
• Отвод тепла при больших импульсных мощностях

Решение этих задач требует комплексного подхода и глубокого понимания процессов, происходящих в импульсных модуляторах.

6.3. Общие принципы работы импульсных модуляторов. 6. Импульсная работа радиопередатчиков. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие

6.3.1. Требования к импульсным модуляторам

6.3.2. Принципы генерирования мощных модулирующих импульсов

6.3.3. Коммутирующие устройства

6.3.3.1. Коммутирующие устройства на электронных лампах

6.3.3.2. Коммутирующие устройства на газоразрядных приборах

6.3.3.3. Коммутирующие устройства на тиристорах

6.3.4. Накопители энергии

6.3.4.1. Применение конденсатора в качестве ёмкостного накопителя энергии

6.3.4.2.Линии с распределенными постоянными и искусственные линии как емкостные накопители энергии

6.3.1. Требования к импульсным модуляторам

Импульсные модуляторы, используемые в передатчиках с импульсной анодной модуляцией, должны обеспечивать:

• заданную мощность импульсов (достигающую сотен и даже тысяч киловатт) при высоком КПД модулятора;
• требуемую форму импульсов;
• минимальную мощность управления модулятором;
• удобство и надежность эксплуатации, малую зависимость от внешних условий температуры окружающей среды, давления и т. п., а также по возможности малые габариты, вес и стоимость модулирующего устройства в целом.

Рис.6.5

Форма импульсов на выходе модулятора (рис.6.5) имеет большое значение:

от формы импульсов на выходе радиолокационного передатчика зависят точность определения дальности и разрешающая способность станции. Требования к форме импульсов зависят от типа модулируемого генератора СВЧ.

Для обеспечения нормальной работы магнетронного генератора длительность фронта t_ф модулирующего импульса должна быть порядка (0,1¸0,2)t, а длительность спада t_с – (0,2¸0,4) t, где t — длительность импульса. Нестабильность напряжения на вершине импульса не должна превышать 3%, в некоторых случаях для обеспечения малой величины электронного смещения частоты магнетрона даже 1%. Кроме того, недопустимо наличие значительных послеимпульсных осцилляций, так как из-за них на выходе передатчика могут появиться нежелательные высокочастотные импульсы, которые будут иметь место в то время, когда излучение должно отсутствовать.

Поскольку у магнетронного генератора заземляется анод (из-за удобства подключения антенного фидера и системы охлаждения, а также из условий безопасности), то полярность модулирующих импульсов должна быть отрицательной относительно земли.

При модуляции триодных генераторов СВЧ требования к форме модулирующих импульсов ниже, чем при модуляции магнетронных генераторов, поскольку частота и мощность триодных генераторов СВЧ значительно меньше зависят от изменения анодного напряжения, чем у магнетронных генераторов, а форма высокочастотных импульсов приблизительно повторяет форму модулирующих импульсов. Поэтому допустимая нестабильность напряжения b на вершине импульса может достигать 1,0¸12%. Длительность фронта и спада модулирующих импульсов определяется требованиями к высокочастотным импульсам и техническими возможностями схемы модулятора. Полярность модулирующих импульсов для триодного генератора СВЧ должна быть положительной относительно земли, поскольку катод генераторной лампы заземляется по постоянному току.

6.3.2. Принципы генерирования мощных модулирующих импульсов

Как указывалось выше, специфика импульсной работы передатчиков заключается в том, что они работают в течение весьма коротких промежутков времени длительностью микросекунды, отдавая мощность, достигающую в ряде случаев десятков мегаватт, после чего следует длительная пауза, когда генератор заперт. Это приводит к идее создания таких схем импульсных модуляторов, которые были бы способны отдаваемую ими в импульсе энергию накапливать за время паузы. Блок-схема такого модулятора показана на рис.6.6. Основными элементами этой схемы являются накопитель энергии и коммутирующий прибор. В схеме можно выделить две главные цепи: зарядную (она показана пунктиром) и разрядную. Во время паузы между импульсами в модуляторе происходит накопление энергии. Эта энергия запасается в накопителе, который при разомкнутом коммутирующем приборе заряжается от источника питания. Управляемый подмодулятором коммутирующий прибор замыкает во время импульса цепь разряда, и накопитель отдает запасенную во время паузы энергию генератору СВЧ. Ограничительное сопротивление в схеме рис.6.6 установлено для того, чтобы в момент замыкания коммутирующего прибора, когда сопротивление последнего очень мало, не закоротить источник постоянного напряжения при разряде накопителя. Цепь заряда должна замыкаться через зарядное устройство, сопротивление которого кратковременным токам разряда много больше эквивалентного сопротивления генератора СВЧ, поэтому накопитель не разражается через параллельную зарядную цепь.

С энергетической точки зрения модулятор является трансформатором мощности. В самом деле, мощность Р_ист, потребляемая накопителем от источника питания, равна:

Р_ист = η_з,

где W_нак— энергия, получаемая накопителем от источника питания, η_з– КПД зарядной цепи, Т – период следования импульсов. Мощность Р_г, которую получает генератор СВЧ во время импульса, равна:

Р_г= η_рW_нак/τ =η_рη_зР_истT/τ = η_рη_зР_истq ,

где h_р— КПД разрядной цепи, а q – скважность. Таким образом, благодаря применению накопителя энергии мощность Р_г, получаемая генератором СВЧ во время импульса, в (qh_зh_р) раз больше мощности, отдаваемой источником питания. Обычно h_з и h_р= 0,7-0,9, q — порядка 1000. Это даёт возможность использования источников питания малой мощности.

Рассмотрим основные элементы схемы импульсного модулятора — коммутирующие устройства и накопители.

6.3.3. Коммутирующие устройства

Коммутирующие устройства — коммутаторы — в схемах импульсных модуляторов работают либо на замыкание, либо на размыкание. Основное требование, которое предъявляется к коммутатору, заключается в том, что его внутреннее сопротивление должно быть минимальным при замыкании и бесконечно большим при размыкании. Из рис.6.6 видно, что во время разряда накопителя напряжение делится между генератором и внутренним сопротивлением коммутатора, при этом на последнем теряется мощность. При этом в коммутаторе теряется мощность Р_к, которая при прямоугольном импульсе, когда ток во время импульса можно считать постоянным, равна

Р_к=U_кI_{р ,}

где I_р – разрядный ток, U_к – падение напряжения на коммутаторе. Мощность, которая передается генератору равна:

Р_г=U_гI_р =I_р(U_н — U_к) .

Здесь U_н – напряжение на накопителе, U_г— напряжение на генераторе. Тогда КПД разрядной цепи равен:

η_р =

Таким образом, КПД разрядной цепи тем выше, чем меньше падение напряжения на коммутаторе во время разряда, то есть чем меньше его сопротивление при замыкании. Наряду с этим к коммутирующим устройствам предъявляют также следующие технические требования:

• время срабатывания коммутатора и время восстановления его управляющих свойств должны быть как можно меньше, так как от этого зависят длительность фронта импульсов и частота их следования;
• коммутатор должен выдерживать высокие напряжения, достигающие десятков киловольт, и пропускать импульсные токи порядка десятков и сотен ампер;
• коммутатор должен срабатывать от импульсов возможно меньшей мощности;
• параметры коммутатора должны быть стабильными во времени и не зависеть от температуры окружающей среды; и др.

Наиболее широкое применение в качестве коммутаторов имеют электронные лампы и газонаполненные приборы. И те, и другие могут коммутировать большие мощности, достигающие у ламп десятков мегаватт, а у газонаполненных приборов — ста и более мегаватт. В качестве коммутаторов используют также полупроводниковые приборы тиристоры, позволяющие коммутировать мощности до нескольких мегаватт. Рассмотрим особенности этих коммутаторов.

6.3.3.1. Коммутирующие устройства на электронных лампах

Как коммутирующий прибор электронная лампа обладает следующими достоинствами:

1. Электронная лампа является коммутирующим прибором, работающим как на замыкание, так и на размыкание цепи разряда накопителя энергии.

2. Коммутирующие устройства на электронных лампах по существу являются безынерционными. Это позволяет точно управлять началом и окончанием каждого импульса. Благодаря своей безынерционности электронные коммутаторы способны коммутировать импульсы практически любой длительности и частоты повторения. Форма импульсов в модуляторах с электронными коммутаторами определяется главным образом формой управляющих импульсов в цепи сетки электронной лампы и может быть получена весьма близкой к прямоугольной.

3. Электронные лампы выдерживают напряжения достигающие десятков киловольт.

4. Параметры электронных ламп практически не зависят от времени и от температуры окружающей среды.

Наряду с этим электронные коммутаторы обладают и рядом недостатков, главными из которых являются:

1. Сравнительно большое внутреннее сопротивление электронной лампы, что снижает КПД модулятора в процессе разряда.

2. Относительно небольшой ток эмиссии катода, что ограничивает величину пропускаемого импульсного тока. Для увеличения коммутируемого тока приходится включать лампы параллельно (до шести-восьми штук). Поэтому при формировании импульсов большой мощности (более 1000 кВт) схема модулятора усложняется, и надежность ее работы снижается.

3. Для надежного запирания лампы на ее сетку должно быть подано отрицательное напряжение, превышающее напряжение запирания , которое определяется по спрямленной анодносеточной характеристике. Однако, чрезмерное увеличение отрицательного напряжения на управляющей сетке лампы приводит к увеличению необходимой амплитуды импульса, отпирающего лампу, а также к увеличению выходной мощности подмодулятора и напряжения между управляющей сеткой и катодом лампы. Обычно, величину напряжения смещения выбирают в пределах (1,2¸1,5), при этом анодный ток во время паузы не превышает значения 0,001% от импульсного тока. Рабочую точку коммутаторной лампы во время импульса выбирают в граничном режиме — точка В на характеристике лампы (рис.6.7). При работе в перенапряженном режиме (точка А) велик сеточный ток, а следовательно и мощность подмодулятора; при работе в недонапряженном режиме (точка С) велико падение напряжения на лампе. Кроме того, даже небольшое возрастание тока i_а приводит к значительному увеличению падения напряжения на лампе и завалу плоской вершины модулирующего импульса.

Рис.6.7

В качестве коммутаторных ламп обычно используются тетроды, так как у них величина запирающего напряжения и сеточного тока меньше, чем у триодов.

6.3.3.2. Коммутирующие устройства на газоразрядных приборах

Коммутирующие устройства на газоразрядных (ионных) приборах — тиратронах и разрядниках — являются более экономичными, чем на электронных лампах. В отличие от электронной лампы эти приборы способны пропускать импульсные токи, достигающие тысяч ампер при малом падении напряжения на электродах, прячем, цепи их управления (цепь поджига разрядника, сеточная цепь тиратрона) потребляют весьма малую мощность. В результате модуляторы с ионным коммутатором имеют меньшие габариты и более высокий КПД, чем с электронным.

Основной недостаток ионных коммутаторов заключается в том, что они могут работать только на замыкание. После поджига такой коммутатор становится неуправляемым. У модуляторов с ионными коммутаторами форма и длительность импульсов на выходе не зависят от поджигающего импульса, а определяются свойствами цепи разряда, то есть практически свойствами накопителя. Кроме этого, коммутаторы на ионных приборах обладают и рядом других недостатков:

• не выдерживают высоких напряжений, что приводит к необходимости включать их последовательно;
• обладают довольно значительным временем деионизации, что затрудняет их использование при высокой частоте повторения импульсов;
• имеют разброс по времени оформления разряда, а также разброс потенциала зажигания;

Разряд через тиратрон прекращается при уменьшении анодного напряжения более, чем на 20% от начального значения.

Наиболее приспособленными для работы в качестве коммутаторов в импульсных устройствах являются разработанные специально для этой цели водородные тиратроны. Падение напряжения на них при замыкании не превышает 2% от напряжения накопителя; их внутреннее сопротивление в импульсе составляет всего несколько десятков Ом (у электронных ламп оно на порядок выше), поэтому КПД разрядной цепи достигает 98%. Кроме того, водородные тиратроны имеют очень малое время ионизации — от 0,02 до 0,07 мкс — и деионизации — порядка 10мкс. Это позволяет коммутировать импульсы малой длительности (несколько десятых микросекунды) с достаточно высокой частотой повторения (до десятков килогерц). Водородные тиратроны имеют положительную пусковую характеристику, поэтому они не требуют отрицательного напряжения смещения на сетке для запирания во время пауз. Зажигание производится положительными импульсами сравнительно малой мощности с амплитудой напряжения около 200В, причем, имеет значение крутизна фронта этих импульсов, поскольку от нее зависит разброс во времени оформления разряда. При амплитуде поджигающих импульсов 200 В и скорости нарастания напряжения на сетке 300 В/мкс разброс времени оформления разряда не превышает 0,04 мкс. Увеличение скорости нарастания в несколько раз при некотором увеличении управляющего импульса позволяет в необходимых случаях резко уменьшить разброс. Анодный ток тиратрона продолжается до тех пор, пока напряжение на его аноде не уменьшится до значения напряжения погасания, которое у большинства водородных тиратронов не превышает 10-20 В. Параметры и пусковая характеристика водородных тиратронов мало зависят от окружающей температуры. Наибольшее напряжение, допускаемое на аноде водородного тиратрона, достигает десятков киловольт. Для увеличения коммутируемой мощности тиратроны выполняют в металлокерамическом оформлении. Так, металлокерамический водородный тиратрон ТГИI-5000/50 отечественного производства работает при анодном напряжении 50 кВ, коммутируемый ток равен 5000А при среднем токе 10А.

6.3.3.3. Коммутирующие устройства на тиристорах

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура типа р-n-р-n (рис. 6.8а). Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью называют катодом, а с внешней р-областью — анодом. С внутренней р-областью соединен управляющий электрод. Изготавливают тиристорные структуры из кремния.

Тиристор является управляемым прибором, имеющим два устойчивых состояния — открытое и закрытое. Вольтамперная характеристика тиристора, изображенная на рис.6.8б, имеет S-образную форму. На участке 1 анодный ток весьма мал (от нескольких десятых до 20-30 мА), и прибор можно считать выключенным.

Рис.6.8

Участок 3 аналогичен характеристике обычного полупроводникового диода: прибор находится во включенном состоянии с остаточным напряжением порядка единиц вольт при токах, достигающих тысяч ампер, которые ограничиваются только максимально допустимой мощностью рассеяния. Прямое переключение тиристора имеет место при анодном напряжении, равном (точка перегиба между участком 1 и участком 2, где тиристор имеет отрицательное сопротивление). Это напряжение достигает единиц киловольт. Как видно из рис.10б, при увеличении управляющего (пускового) тока оно уменьшается. Обычно переклюючение тиристора в открытое состояние производится подачей отпирающего импульса тока в цепь управляющего электрода. При обратном переключении тиристора из проводящего состояния в закрытое анодный ток уменьшается до значения тока удержания (рис.6.8б), который невелик — десятки и сотни миллиампер.

При >0, как это обычно бывает на практике, для обратного переключения прибора достаточно уменьшить рабочий ток, протекающий через тиристор, до значения < на время , где — время выключения тиристора. Обратное переключение возможно также при изменении на определенное время полярности напряжения на аноде. Регулировка длительности импульса на нагрузке возможна при запирании тиристора с помощью вспомогательных ключей и дополнительных источников напряжения, а также с помощью коммутирующих реактивных элементов — накопителей энергии (например, энергии предварительно заряженного конденсатора). Включение и выключение так называемого запираемого тиристора производится подачей на его управляющий электрод импульсов положительной (для отпирания) или отрицательной (для запирания) полярности.

Важным параметром тиристора является скорость переключения. Она определяется временем включения к временем выключения. Современные импульсные тиристоры имеют время включения от сотых до единиц микросекунд, а время выключения обычно на порядок больше. Рабочее напряжение у них достигает 2 кВ, а ток — 2000 А. Мощные тиристоры на токи в сотни ампер имеют принудительное охлаждение. Для получения большего напряжения или большего тока тиристоры можно соединять последовательно и параллельно, но при этом должны быть приняты меры, обеспечивающие равномерное распределение токов и напряжений между приборами во избежание их перегрузок.

Достоинством тиристоров является возможность управления не только моментом их включения, но и выключения, что позволяет регулировать длительность импульса в нагрузке. Тиристоры обладают высокой надежностью и долговечностью, постоянно готовы к действию, имеют малые габариты и высокую экономичность.

Недостатками тиристоров является значительно меньшая по сравнению с электронными лампами и водородными тиратронами импульсная мощность, а также большая инерционность.

6.3.4. Накопители энергии

Рис.6.9

Как указывалось выше, в импульсном модуляторе во время пауз между импульсами происходит накопление энергии в накопителе. Энергия в накопителях может запасаться либо в электрическом поле емкости, либо в магнитном поле индуктивности, поэтому в качестве накопителя могут быть использованы емкости, индуктивности, а также различные их комбинации. Наибольшее распространение имеют ёмкостные накопители. Рассмотрим основные типы этих накопителей, обращая при этом внимание на следующее:

• на форму импульса, подаваемого на генератор СВЧ при разряде накопителя;
• мощность, или энергию, отдаваемую накопителем генератору СВЧ;
• КПД накопителя;
• требования к коммутирующему прибору.

6.3.4.1. Применение конденсатора в качестве ёмкостного накопителя энергии

Структурная схема модулятора с конденсатором в качестве емкостного накопителя показана на рис.6.9а. Во время пауз между импульсами коммутирующий прибор разомкнут, и конденсатор С заряжается через сопротивление от источника постоянного тока Е, накапливая энергию. При замыкания коммутатора во время действия импульса конденсатор разряжается на генератор СВЧ, отдавая ему накопленную за время паузы энергию. Возможны два режима работы накопительного конденсатора: режим частичного разряда, когда за время импульса конденсатор разряжается частично, отдавая генератору СВЧ лишь небольшую часть накопленной энергии; режим полного разряда, когда во время импульса конденсатор разряжается полностью, отдавая всю накопленную энергию. Изменение напряжения на накопительном конденсаторе при частичном разряде показано на рис.6.9б. Энергия, получаемая конденсатором во время импульса определяется формулой:

W_c=0,5C(). КПД зарядной цепи равен: η_з = , где W_иcт – энергия, отдаваемая источником питания накопителю – конденсатору — во время паузы. При τ<<Т можно считать, что W_иcт =Eq_зар, где q_зар – заряд, полученный конденсатором от источника питания, он равен: q_зар =С(U_cmax – U_cmin), тогда: W_с= 0,5(U_cmax + U_cmin) q_зар = U_{c ср}/Е.

При этом КПД зарядной цепи равен:

То есть КПД цепи заряда определяется отношением среднего напряжения на конденсаторе к напряжению источника питания.

Для получения импульса на нагрузке, по форме близкого к прямоугольному, относительное изменение напряжения на конденсаторе b должно быть мало:

, (6.1)

где

U_cmax = E (1- ). (6.2)

Поскольку обычно , то при частичном разряде накопительного конденсатора КПД зарядной цепи достигает 90-95%, при этом форма импульса на нагрузке близка к прямоугольной. Можно показать, что емкость накопительного конденсатора определяется формулой:

, (6.3)

где — сопротивление нагрузки (генератора).

Для осуществления режима частичного разряда накопительного конденсатора необходим коммутатор, работающий и на замыкание, и на размыкание. При таких условиях в качестве коммутатора может быть использована электронная лампа.

Режим полного разряда накопительного конденсатора может обеспечить получение модулирующих импульсов большой мощности при более простой схеме подмодулятора и при использовании коммутирующего прибора, работающего только на замыкание. Последнее позволяет использовать в качестве коммутирующего прибора не электронную лампу, а тиратрон. Однако, при полном разряде обычного конденсатора импульс напряжения на нагрузке не прямоугольный, а остроконечный (рис.6.9в), и КПД зарядной цепи, как следует из формул (6.1) и (6.2), получается низким. По этим причинам режим полного разряда накопительного конденсатора не применяется.

6.3.4.2. Линии с распределенными постоянными и искусственные линии как емкостные накопители энергии

Недостатки простого емкостного накопителя, работающего в режиме полного разряда, могут быть устранены при использовании более сложных емкостных накопителей, а именно – накопительных искусственных линий. При этом все преимущества использования полного разряда сохраняются. Импульсные модуляторы с искусственными линиями широко применяются на практике.

Рис.6.10

В однородной линии с распределенными постоянными, заряженной до некоторого напряжения Е, сосредоточен запас электростатической энергии W_c=0,5lE² , где С` -погонная ёмкость линии, l — её длина, то есть С`l=C_л — полная ёмкость линии. Таким образом, эта линия представляет собой емкостный накопитель энергии, как обычный конденсатор.

Известно, что разомкнутая на обоих концах линия с распределёнными постоянными длиной l и волновым сопротивлением r, заряженная до напряжения Е, будучи замкнута на нагрузку R (рис. 6.10), выделяет на этой нагрузке напряжение, величина и форма которого зависят от соотношения между величинами R и r. Разрядная волна характеризуется током I₁=I_r= и напряжением U₁= I₁r, или U₁=r. Поскольку при разряде линии напряжение на нагрузке U_r=E-U₁, то нетрудно показать, что

, (6.4)

(6.5)

Последние два выражения показывают, что линия в процессе разряда ведет себя по отношению к нагрузочному сопротивлению R как источник ЭДС E c внутренним сопротивлением r (рис.6.11). Напряжение на линии равно:

Рис.6.11

При t=, где v — скорость распространения волны в линии, после того, как разрядная волна, достигнув разомкнутого конца линии, отразится от него и вернется к началу линии, т.е. после двукратного прохождения разрядной волны, остаточное напряжение на линии станет равным Е’ = E — 2U_r, или:

. (6.6)

Из (6.4) и (6.6) следует, что при R =r на нагрузке выделяется прямоугольный импульс с амплитудой U_R=E/2 и длительностью t==, при этом остаточное напряжение на линии Е’=0; когда R >r напряжение на нагрузке U_r, > E/2, остаточное напряжение Е’ имеет ступенчатую форму одной полярности, длительность каждой «cтупеньки» равна t; при R< r напряжение U_r < E/2, а Е’ имеет знакопеременную ступенчатую форму (рис.6.12).

Итак, если R¹r, то при t=2l/v линия еще заряжена до напряжения , и процесс разряда повторяется до тех пор, пока она не разрядится полностью.

Таким образом, заряженный до некоторого напряжения разомкнутый на конце отрезок линии с распределёнными постоянными позволяет получить при разряде на согласованную нагрузку напряжение, имеющее прямоугольную форму. Амплитуда импульса равна половине величины напряжения, до которого была заряжена линия, а его длительность t — удвоенному времени пробега разрядной волны вдоль линии длиной l, т. е. t=2l/v. Поскольку скорость распространения волны в воздушной линии равна скорости света с=3×10⁸ м/сек, то при заданных значениях U_н, R и t расчет параметров линии не составляет труда. Однако, для получения коротких импульсов длина линии чересчур велика: при t=1мкс l=150м! Поэтому на практике применяются искусственные линии, составленные из ряда ячеек с сосредоточенными параметрами L и C. Наиболее употребительная схема искусственной линии показана на рис.6.13. Свойства искусственных линий отличаются от свойств линий с распределенными постоянными, но приближаются к ним при увеличении числа ячеек, из которых составлена искусственная линия. Для искусственной линии (рис.6.13), составленной из N ячеек, длительность импульса равна:

t = 2l= 2 =2N,

где и— индуктивность и ёмкость одной ячейки, а L_л и C_л — полные индуктивность и ёмкость линии. Волновое сопротивление этой линии равно:

r = .

Тогда:

С_Л= и L_Л= ,

откуда

,

. (6.7)

Рис. 6.12

Обычно искусственные линии проектируют на волновые сопротивления от до 25 до 80 Ом. При больших мощностях выгодно выбирать низкое волновое сопротивление для уменьшения напряжения на линии. Искусственные линии с большими волновыми сопротивлениями не применяются, так как емкости ячеек оказываются очень малыми, соизмеримыми с емкостями монтажа.

Рис.6.13

По этой же причине число ячеек, из которых составлена искусственная линия, обычно не превышает 6.

Рис.6.14

Форма импульсов, создаваемых искусственными линиями на согласованном нагрузочном сопротивлении, заметно отличается от прямоугольной. Нарастание и спад импульса происходят с конечной скоростью. Вершина импульса не плоская, а волнистая, причем, максимальная величина пульсаций достигает 10% и мало зависит от числа ячеек. От числа ячеек N зависят длительности фронта t_ф и длительности спада t_с импульса, которые тем меньше, чем больше ячеек. Число ячеек выбирают, исходя из требуемой длительности фронта:

N @ 0,4 (6.8) Длительность спада импульса равна: t_с @ 2t_ф (6.9) На рис.6.14 показана форма импульсов разряда искусственной линии на согласованную нагрузку при числе ячеек N=2, 3 и 4.

Широтно-импульсный модулятор

 

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) относится к электрическим схемам время-импульсных преобразователей и может применяться при построении смешанно-сигнальных измерительных приборов и вычислительных устройств (У). ШИМ, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного ШИМ-сигнала с разделением во времени этапов процесса преобразования, благодаря чему исключается погрешность, обусловленная фактическими значениями пассивных компонентов, входящих в состав У, содержит генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ) (1), источник опорного напряжения (ИОН) (2), компаратор (3), первый ключ (К) (4), интегратор (5), устройство выборки-хранения (УВХ) (6), распределитель импульсов (РИ) (7), второй К (8) и цифровой накапливающий формирователь ШИМ-сигнала (ЦНФ) (9). Выход первого К (4) соединен с входом интегратора (5), выход которого соединен с информационным входом УВХ (6), выход ИОН (2) соединен с информационным входом первого К (4). Выход УВХ (6) объединен с информационным входом второго К (8) и инвертирующим входом компаратора (3), неинвертирующий вход которого является входом ШИМ. Выход компаратора (3) соединен с информационным входом ЦНФ (9), выход которого является выходом ШИМ и объединен с входом синхронизации РИ (7), три выхода которого подключены к управляющим входам соответственно первого К (4), второго К (8) и УВХ (6). Выходы К (4) и (8) объединены, а выход ГСИ (1) соединен с входом синхронизации ЦНФ (9). Технический результат — повышение точности работы при одновременном упрощении устройства. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электрическим схемам широтно-импульсных модуляторов и может применяться при построении смешанно-сигнальных измерительных приборов и вычислительных устройств.

Существует большое количество широтно-импульсных модуляторов, обобщенная схема которых описана в [1, с. 137-139]. Недостатком всех подобных устройств, выполненных по развертывающей схеме, является наличие в составе или требование внешнего генератора развертывающего сигнала, от параметров которого в значительной мере зависит точность преобразователя.

По более эффективной, с точки зрения точности и помехоустойчивости, следящей схеме реализовано устройство [2, с. 51]. Оно может быть использовано для широтно-импульсной модуляции совместно с генератором широтно-импульсной модулированной (ШИМ)-последовательности на основе двоичного кода. Его недостатком является низкая точность, обусловленная применением резистивного цифроаналогового преобразователя, не обеспечивающего при малой разрядности высокого разрешения, а при большой разрядности — высокой точности и линейности.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является решение, описанное в [3]. Рассмотренный широтно-импульсный модулятор и выбран в качестве прототипа. Прототип имеет более высокую точность по сравнению с устройством [1] вследствие того, что он выполнен как устройство следящего типа и не нуждается в генераторе развертывающего сигнала. Кроме того, в обратной связи этого устройства отсутствует резистивный цифроаналоговый преобразователь, не позволяющий обеспечить высокую точность, как в устройстве [2] .

В состав прототипа входят генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ), источник опорного напряжения (ИОН), компаратор, ключ, первый алгебраический сумматор и умножитель, причем выход ключа подключен к информационному входу первого интегратора, выход которого соединен с информационным входом УВХ, входной сигнал попадает на информационный вход второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом компаратора, выход ИОН подключен к информационному входу третьего интегратора, чей выход соединен с первым входом умножителя, первый вход компаратора соединен с выходом умножителя, а выход — с информационным входом ключа, выход которого является выходом устройства, выход первого интегратора соединен с первым входом алгебраического сумматора, второй вход которого соединен с выходом УВХ, а выход подключен к второму входу умножителя, выход ГСИ подключен к управляющим входам первого, второго и третьего интеграторов, а также ключа и УВХ.

Прототип осуществляет преобразование входного напряжения в ШИМ-сигнал по линейному закону.

Недостатком прототипа является низкая точность, так как, по условию преобразования, постоянные времени всех трех интеграторов должны совпадать и быть равными периоду синхронизирующих импульсов на выходе ГСИ. Обеспечение этого условия представляет значительную трудность, и в результате преобразования будет содержаться погрешность, обусловленная фактическими значениями параметров пассивных компонентов, входящих в состав интеграторов.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы широтно-импульсного модулятора с одновременным упрощением устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание широтно-импульсного модулятора, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного ШИМ-сигнала с разделением во времени этапов процесса преобразования. Благодаря этому исключается погрешность, обусловленная фактическими значениями пассивных компонентов, входящих в состав устройства.

Поставленная задача решается путем создания устройства, содержащего ГСИ, ИОН, компаратор, первый ключ, интегратор, УВХ, распределитель импульсов (РИ), второй ключ и цифровой накапливающий формирователь ШИМ-сигнала (ЦНФ), причем выход первого ключа соединен со входом интегратора, выход которого соединен с информационным входом УВХ, выход ИОН соединен с информационным входом первого ключа, выход УВХ объединен с информационным входом второго ключа и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого является входом широтно-импульсного модулятора, а выход соединен с информационным входом ЦНФ, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора и объединен со входом синхронизации РИ, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа, второго ключа и УВХ, выходы первого и второго ключей объединены, а выход ГСИ соединен со входом синхронизации ЦНФ.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, на фиг. 2 — временные диаграммы его работы, а на фиг. 3 и 4 — возможные варианты реализации соответственно ЦНФ и РИ.

Широтно-импульсный модулятор содержит ГСИ 1, ИОН 2, компаратор 3, первый ключ 4, интегратор 5, УВХ 6, РИ 7, второй ключ 8 и ЦНФ 9, причем выход первого ключа 4 соединен со входом интегратора 5, выход которого соединен с информационным входом УВХ 6, выход ИОН 2 соединен с информационным входом первого ключа 4, выход УВХ 6 объединен с информационным входом второго ключа 8 и инвертирующим входом компаратора 3, неинвертирующий вход которого является входом устройства, а выход соединен с информационным входом ЦНФ 9, выход которого является выходом устройства и объединен с входом синхронизации РИ 7, три выхода которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа 4, второго ключа 8 и УВХ 6, выходы первого 4 и второго 8 ключей объединены, а выход ГСИ 1 соединен со входом синхронизации ЦНФ 9.

Модулятор осуществляет следящее преобразование входного сигнала, представленного в форме напряжения, в широтно-импульсный сигнал с постоянным периодом и переменной длительностью импульса. Выходной величиной является относительная длительность импульса ШИМ-сигнала = /T, где — длительность импульса, а T — период следования импульсов.

Один из возможных вариантов реализации ЦНФ 9 приводится на фиг. 3. ЦНФ 9 работает в непрерывном режиме и воспроизводит ШИМ-последовательность. Как нетрудно видеть, период импульсов этой последовательности определяется только частотой сигнала, действующего на входе синхронизации ЦНФ. Для предлагаемого ЦНФ он составляет 2^N периодов тактовой последовательности, где N — разрядность двоичного счетчика 9.5. Предположим, что стабильность ГСИ 1, с выходом которого соединен вход синхронизации ЦНФ 9, достаточно высока, поэтому для всего рассматриваемого промежутка времени период ШИМ-последовательности принимается постоянным и равным некоторому Т. Длительность импульса выходного сигнала в предложенном варианте ЦНФ 9 для текущего периода определяется числом, хранящимся в двоичном реверсивном счетчике 9.4. Счетчики 9.4 и 9.5, очевидно, имеют одинаковую разрядность. Максимальное значение длительности импульса равно 2^N периодов сигнала синхронизации, а минимальное — нулю. При этом элементы И 9.2 и 9.3 блокируют переход реверсивного счетчика 9.5 из состояния «2^N-1″ в состояние «0» и наоборот, что позволяет избежать сбоев на границах диапазона. Таким образом, каждому периоду ШИМ-последовательности, или такту, можно сопоставить определенный цифровой эквивалент N_i длительности импульса, где i — номер такта. Это число периодов синхросигнала, составляющих длительность импульса ШИМ-последовательности. Соответственно, абсолютную и относительную длительности этого импульса в i-м такте обозначим как _i и _i. Такт, который начинается в момент времени t₀, будем считать первым.

Распределитель импульсов 7 управляется сигналом, состоящим из последовательности прямоугольных импульсов (например, ШИМ-сигналом), и функционирует по следующему алгоритму.

В момент возникновения первого по счету входного импульса на первом выходе РИ появляется единичный сигнал, который переходит в нулевой в момент окончания этого импульса. На втором и третьем выходах РИ присутствуют нулевые сигналы.

В момент прихода второго импульса на втором выходе возникает единичный сигнал и, независимо от длины второго импульса, удерживается до появления третьего импульса. На первом и втором выходах РИ в это время действуют нулевые сигналы.

С приходом третьего импульса сигнал на втором выходе обнуляется, а сигнал на третьем выходе принимает единичное значение. На первом выходе сохраняется нулевой сигнал. Это состояние, вне зависимости от длины третьего импульса, не изменяется до момента прихода четвертого импульса.

Реакция РИ на четвертый управляющий импульс совпадает с реакцией на первый импульс. Далее процесс повторяется циклически в трехтактном режиме.

Допустима любая реализация РИ, удовлетворяющая приведенному алгоритму. Один из возможных вариантов показан на фиг. 4.

Широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени t₀ на входе устройства действует некоторое напряжение U₀, постоянное или медленно изменяющееся. На выходе ЦНФ 9 присутствует ШИМ-сигнал, характеризуемый некоторым числом N₀ и, следовательно, _o и _o. На выходе УВХ 6 действует некоторое напряжение U(6)₀. Предположим для определенности, что U₀ > U(6)₀, вследствие чего на выходе компаратора 3 имеет место положительный сигнал.

ЦНФ 9 реагирует на этот сигнал увеличением длительности импульса ШИМ-последовательности на один период синхросигнала, то есть в первом такте длительность импульса характеризуется числом N₀+1. В последующих тактах этот процесс повторяется, с той лишь разницей, что отрицательный сигнал на выходе компаратора вызывает уменьшение длительности импульса выходного ШИМ-сигнала на один элементарный интервал за один такт.

РИ 7, первый 4 и второй 8 ключи, интегратор 5 и УВХ 6 осуществляют демодуляцию выходного ШИМ-сигнала, работая в циклическом трехтактном режиме с распределением во времени процессов накопления опорного напряжения и сигнала по обратной связи, а также выборки напряжения интегратора 5 посредством УВХ 6. Значения логических сигналов на выходах РИ 7, состояния первого 4 и второго 8 ключей, а также УВХ 6 для некоторых интервалов времени приведены в таблице.

В первом такте в течение импульса ШИМ-сигнала (строка 1 таблицы) напряжение U_оп от ИОН 2 через первый ключ 4, замкнутый единичным управляющим сигналом с выхода 1 РИ 7, проходит на вход интегратора 5, который накапливает это напряжение и формирует выходной сигнал U(5)₁.

В момент окончания импульса ШИМ-сигнала t’₀ (строка 2 таблицы) РИ 7 вырабатывает на выходе 1 нулевой управляющий сигнал, размыкающий первый ключ 4. Напряжение U_оп перестает проходить на вход интегратора 5, который переходит в режим хранения информации. На выходе интегратора 5 продолжает действовать напряжение U(5)₁.

Во втором такте (строка 3 таблицы) с приходом импульса ШИМ-сигнала на выходе 2 РИ 7 появляется единичный сигнал. Это вызывает замыкание второго ключа 8, в результате чего напряжение U(6)₀ с выхода УВХ 6 поступает на вход интегратора 5 и формирует на его выходе напряжение, равное некоторому значению U(5)₂.

В третьем такте (строка 4 таблицы) с приходом импульса ШИМ-сигнала выход 2 РИ 7 обнуляется, а на выходе 3 РИ 7 вырабатывается единичный сигнал, что приводит к размыканию второго ключа 8 и к переключению УВХ 6 в режим выборки. На выходе УВХ 6 устанавливается напряжение U(6)₁, равное U(5)₂.

В следующем такте на выходах 1, 2 и 3 РИ 7 установятся логические сигналы 1, 0 и 0 соответственно, причем единичный сигнал на первом выходе РИ 7 в момент окончания импульса выходного ШИМ-сигнала перейдет в нулевой, что будет соответствовать строкам 1 и 2 таблицы. Этапы процесса демодуляции будут, таким образом, в дальнейшем циклически повторяться, и длительность этого цикла составит три такта.

Для обозначения номеров трехтактных циклов применим индекс k, где а n — номер такта работы устройства. В конце каждого трехтактного цикла напряжение на выходе УВХ 6 устанавливается равным напряжению на выходе интегратора 5 в конце второго такта этого цикла. Это напряжение будет равно где — постоянная времени интегратора 5; _k — длительность импульса ШИМ-сигнала в первом такте k-го цикла; U(6)_k-1 — напряжение на выходе УВХ 6 в предыдущем, (k-1)-м цикле.

Так как U(6)_k-1 и U_оп, очевидно, являются константами для цикла k, выражение (1) может быть преобразовано: Для установившегося режима, когда _k= _k-1, где _k-1 — длительность импульса в цикле, предшествующем рассматриваемому, U(6)_k-1 = U(6)_k. Тогда выражение (2) примет следующий вид:
откуда

или

что равносильно
U(6)_k = H, (4)
где коэффициент обратной связи H = -U_оп, a — относительная длительность выходного ШИМ-сигнала устройства.

Как следует из выражения (1), напряжение на выходе УВХ 6 в конце произвольного цикла k зависит только от двух величин, изменяющихся в процессе работы: длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте этого цикла _k и напряжения на выходе УВХ 6 в конце предыдущего цикла U(6)_k-1. Таким образом, при изменении длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте (k+1)-го цикла на величину , процесс перейдет в установившийся режим уже в конце этого цикла, т. е. через три такта:

Отметим, что второй ключ 8 замыкает цепь обратной связи интегратора 5 на время, равное длительности одного такта. Следовательно, время выборки УВХ 6 может также достигать величины периода ШИМ-сигнала t_выб=Т.

Таким образом, напряжение, прямо пропорциональное , формируется на инвертирующем входе компаратора 3 с помощью ИОН 2, первого 4 и второго 8 ключей, интегратора 5, УВХ 6 и РИ 7. В то же время, из логики работы ЦНФ 9, значение определяется соотношением _n= _n-1+_n, причем

где S есть величина зоны нечувствительности компаратора 3 по напряжению.

Последнее условие начинает выполняться в некоторый момент времени t_r (см. фиг. 2), когда разность между напряжениями на входе компаратора 3 входит в зону нечувствительности компаратора и выходная величина перестает возрастать. При этом длительность импульса выходного ШИМ-сигнала характеризуется числом N_r и имеет относительную длительность _r.
В установившемся режиме _n = 0, то есть разница между исходным и восстановленным из выходного сигнала напряжениями меньше величины зоны нечувствительности компаратора, то есть можно считать UU(6). Отсюда и из (4) следует выражение для передаточной функции модулятора:

причем U_оп должно быть противоположно U по знаку.

Из выражений (3) и (4) видно, что коэффициент передачи модулятора в принципе не зависит от значения постоянной времени интегратора . Тем самым показано, что присущая прототипу погрешность, вызываемая отклонениями реальных значений постоянных времени интеграторов друг от друга и от периода ШИМ-сигнала, в заявляемом устройстве отсутствует, а значит, повышена точность преобразования входного напряжения в относительную длительность импульса ШИМ-сигнала.

Кроме отмеченного повышения точности, устройство обладает лучшей технологичностью. Согласно вышесказанному в структуру широтно-импульсного модулятора введены практически только цифровые компоненты, а исключены интеграторы, требующие по условию применения прецизионных резисторов и конденсаторов, а также сумматор и умножитель, также содержащие резисторы. В настоящее время цифровые компоненты значительно доступнее и практичнее прецизионных аналоговых, так как они относительно дешевле, более технологичны в интегральном исполнении и имеют существенно лучшие массогабаритные показатели по сравнению с дискретными прецизионными и сверхпрецизионными элементами. Тем самым достигается упрощение широтно-импульсного модулятора по сравнению с прототипом, повышается надежность устройства, снижается его стоимость.

Источники информации
1. Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Артамонов А.Б. и др. Времяимпульсные вычислительные устройства./ Под ред. В.Б. Смолова, Е.П. Угрюмова. — М.: Радио и связь, 1983.

2. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. — М.: Мир, 1989.

3. А. С. СССР N 1619391, МКИ⁵ H 03 K 7/08, опубл. 07.01.1991. Бюл. N 1 (прототип).

Формула изобретения

Широтно-импульсный модулятор, содержащий генератор синхронизирующих импульсов, источник опорного напряжения, компаратор, первый ключ, интегратор, устройство выборки-хранения, причем выход первого ключа соединен с входом интегратора, выход которого соединен с информационным входом устройства выборки-хранения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены распределитель импульсов, второй ключ и цифровой накапливающий формирователь широтно-импульсного модулированного (ШИМ) сигнала, причем выход источника опорного напряжения соединен с информационным входом первого ключа, выход устройства выборки-хранения объединен с информационным входом второго ключа и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого является входом широтно-импульсного модулятора, а выход соединен с информационным входом цифрового накапливающего формирователя ШИМ-сигнала, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора и объединен с входом синхронизации распределителя импульсов, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа, второго ключа и устройства выборки-хранения, выходы первого и второго ключей объединены, а выход генератора синхронизирующих импульсов соединен с входом синхронизации цифрового накапливающего формирователя ШИМ-сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

Модулятор импульсов мощности — PWM-OCXi v2.2

Описание

Регулируемая частота от постоянного тока до 1,5 МГц, режим ШИМ от 0% до 100%, ток 9 А, коммутируемое напряжение до 340 В (

Цепь ШИМ ), предназначенная для обеспечения простого способа регулировки мощности устройств или импульсов в широком диапазоне частот и длительности импульсов. Эта версия предназначена в первую очередь для использования в цепях высокого напряжения, например, для управления катушками высокого напряжения. Частота регулируется независимо от ширины импульса, которая может плавно изменяться от 0% до 100%. Он предназначен для широкого спектра применений и полностью настраивается, чтобы его можно было использовать для самых разных задач. Эти блоки могут быть связаны друг с другом и использоваться для выполнения различных задач или связаны с другими нашими схемами всевозможными способами. Модули также могут быть связаны друг с другом по схеме ведущий/ведомый, а ширина импульса (рабочий цикл) может регулироваться внешним аналоговым источником. Схема изготовлена ​​в Англии на высококачественной печатной плате с двухслойным дизайном, покрытыми сквозными отверстиями (PTH) и 2 унциями меди (вдвое больше, чем у стандартных схем) для долговечности и производительности. Крышки и кожухи для ручек управления доступны отдельно.

Эта модель может очень быстро переключаться между состояниями включения/выключения по сравнению с другими импульсными схемами. Такое высокое значение dI/dt обеспечивает очень высокий коэффициент усиления по напряжению в катушках индуктивности или автотрансформаторах, таких как катушки зажигания, что дает более высокое выходное напряжение для более низкой нагрузки или потребляемой мощности. Вы можете переключать устройства с питанием от сети, добавив к выходу твердотельное реле.

Обратите внимание: Печатные руководства не поставляются. Пожалуйста, скачайте или распечатайте руководство по ссылке ниже.

 

 

Характеристики и характеристики

• Широкий диапазон напряжения питания (12–30 В)
• Диапазон вторичного напряжения от 0 В до 340 В (от внешнего источника)
• Максимальный выходной ток 9 А * непрерывный, 120 А пиковый
• Диапазон частот от 0,01 Гц до 1,5 МГц **
• Ширина импульса регулируется в диапазоне от 0 % до 100 % или устанавливается на определенное время импульса
• Активная защита по напряжению и регулируемое ограничение тока.
• Тепловая защита
• Ввод/вывод для интерфейса микроконтроллера
• Компактный дизайн
• Высококачественный двухслойный PTH, 2 _OZ Медная печатная плата
• Полностью собран и протестирован перед отправкой
• Новое в версии 2.2: Дополнительный внешний регулятор точной настройки частоты.
• Полную информацию и технические характеристики см. в руководстве ниже.

Нужна другая спецификация? Возможна индивидуальная настройка

Примеры применения

• Драйвер обратноходового трансформатора
• Драйвер катушки зажигания
• Преобразователи постоянного тока, инверторы и импульсные источники питания
• Электромагнитный генератор импульсов
Катушка Теслы
• SSTC
• Индукционный нагрев
• Регулятор скорости двигателя
• Эксперименты с резонансной энергией или магнитным импульсом
• И еще…

 Для получения полной информации и технических характеристик загрузите руководство по эксплуатации PWM-OCXi v2.2

Вы можете загрузить и распечатать шкалы для эталонной частоты. Их также можно использовать в качестве направляющих для вырезов при монтаже цепей в коробку. Скачать здесь.

Видео по теме  (ссылки открываются в новом окне)

Примеры применения, Создание искр, Твердотельная катушка Тесла, Музыкальная катушка Тесла, Плазменная пушка, Плазменная пушка 2, Дуговой разряд, Лестница Джейкоба

Учебные пособия по вождению индуктивные нагрузки, Изготовление лестницы Якобса, Твердотельная катушка Тесла, Дополнительно

 

131,47 фунтов стерлингов Цена за комплект для выбранных позиций

Измерения импульсной модуляции с помощью векторного анализатора цепей

импульсное радиочастотное измерение. Он может измерять S-параметры ВЧ-сигналов, модулированных извне, или он может измерять стимулирующий сигнал, модулированный изнутри. В последнем случае векторный анализатор цепей также может формировать два логических сигнала с программируемой пользователем задержкой относительно начала импульса и с программируемой длительностью. Другие анализаторы цепей от CMT могут измерять импульсные ВЧ-сигналы, но не генерировать сами импульсы. Компактный векторный анализатор цепей S5180B также может измерять огибающую модуляции ВЧ-импульса.

Существует два режима измерения импульсных РЧ: синхронное широкополосное измерение, также называемое «точка в импульсе», и асинхронное узкополосное измерение.

Синхронное широкополосное измерение (точка в импульсе):

При синхронном широкополосном измерении измерение S-параметра начинается и заканчивается в каждом импульсе. См. рис. 1.

 

Рис. 1. Синхронное широкополосное измерение

В этом случае запуск необходим для синхронизации периода измерения в РЧ-импульсе. Если ВНА внутренне модулирует стимул, то эта синхронизация уже доступна для ВНА. Если РЧ импульсно модулируется извне, для этой цели должен быть предусмотрен внешний триггер.

Период измерения ВАЦ зависит от настройки полосы пропускания ПЧ. Этот период составляет примерно 1,2/IFBW. Таким образом, самый узкий период измерения для S5180B при максимальной настройке ПЧ 300 кГц составляет 1,2/300 кГц или около 4 мкс. Самый узкий измеряемый РЧ-импульс должен быть шире, чтобы полностью его содержать.

В частотной области широкая полоса пропускания по ПЧ и относительно узкая ширина импульса показаны на рис. 2.

 

Рис.0011

Этот метод называется «широкополосным синхронным», поскольку полоса пропускания ПЧ достаточно широка, чтобы вмещать большую часть импульсной РЧ-энергии, измерение происходит внутри РЧ-импульса и измерение синхронизируется с импульсной модуляцией.

Асинхронное узкополосное измерение:

При асинхронном узкополосном измерении анализатор цепей асинхронно измеряет серию импульсов из десяти и более. Время для этого может выглядеть так, как показано на рисунке 3.

 

Рис. 3. Асинхронное узкополосное измерение

Нет необходимости синхронизировать анализатор цепей с потоком импульсов. Измерение может начинаться или заканчиваться внутри импульса или между ними, но должно содержать не менее десяти импульсов, чтобы предотвратить чрезмерную пульсацию. Этот метод приводит к некоторой потере динамического диапазона. Ясно, что измерение непрерывного (CW) сигнала даст точное измерение амплитуды. Импульсный РЧ-сигнал с коэффициентом заполнения 50 % и множеством импульсов, появляющихся в течение цикла измерения, будет содержать только половину общей мощности. Очевидное снижение амплитуды сигнала составляет 20*Log10 (скважность импульсов).

Поскольку VNA знает о коэффициенте заполнения импульса посредством программирования периода импульса и ширины импульса, изменение уровня амплитуды корректируется. Таким образом, уменьшение рабочего цикла не приведет к уменьшению измеренной амплитуды, но возрастет уровень шума. Это особенно заметно, если измеряется фильтр с низкими вносимыми потерями и высоким затуханием в полосе задерживания. На вносимые потери это не повлияет, но минимальный уровень шума с обеих сторон увеличится на 20*Log10 (рабочий цикл).

Представление в частотной области показано на рисунке 4 ниже.

 

Рис. 4. Узкополосное асинхронное измерение

Этот метод называется «узкополосным асинхронным», поскольку полоса пропускания ПЧ намного уже ширины полосы импульсного ВЧ-сигнала. Как видно, в этом случае улавливается только часть радиочастотной энергии, и, следовательно, измеренная амплитуда сигнала меньше, чем у немодулированного сигнала. Этот более низкий уровень сигнала приводит к потере динамического диапазона измерения. Минимальный уровень шума приемника не изменился, но измеренный уровень РЧ уменьшился на 20*Log10 (скважность импульсов).

Преимуществом этого метода является возможность измерения более узких импульсов и высокой частоты повторения импульсов.

Измерение профиля импульса:

Можно измерить и отобразить профиль внутреннего или внешнего импульса. Например, если анализатор цепей настроен на создание запускаемого импульса длительностью 100 мкс. Профиль этого импульса можно визуализировать на экране VNA в режиме «Профиль импульса». На рис. 5 показана установка внешнего импульса и измерение на осциллографе.

 

 

Рис. 5 –

На ВАЦ отображается то, что показано на Рис. 6 ниже.

 

Рис. 6. Профиль импульса

«Время профиля» устанавливает экстенты по оси X. Левая сторона оси X начинается с нарастающего фронта внешнего триггера. «Задержка импульса» 20 мкс и «ширина импульса» 100 мкс четко видны здесь при 20 мкс на шкалу деления.

Это измерение полезно для оценки влияния ИУ на форму импульса, по крайней мере, в пределах разрешения измерения, которое может составлять всего 2 мкс при полосе ПЧ 300 кГц.

 

Логические импульсные выходы:

Имеются два программируемых логических выхода, которые можно запрограммировать на отслеживание запуска внутреннего импульса. Возможны ширина импульса и задержки от 100 нс до 10 нс с разрешением 100 нс. Эти два выхода, Импульс 1 и Импульс 2, синхронизированы с началом РЧ-импульса и программируются и включаются в разделах «Внешний вход триггера» и «Внешний вход триггера» меню «Измерения пульса». Эти импульсы могут быть использованы пользователем для включения дополнительного тестового оборудования. См. рис. 7.

 

Рис. 7. Импульсы 1 и 2

Дополнительная информация об измерении асинхронных импульсов:

период измерения. Результаты для импульса с частотой повторения 10 мс и коэффициентом заполнения 80 %, измеренного в полосе частот 10 Гц, показаны ниже на рисунке 8. Период измерения составляет приблизительно 1,2/100 Гц или 12 мс, поэтому в каждом измерении должно быть в среднем около 12 импульсов.

 

Рисунок 8 – Частота повторений 10 мс, 10 Гц IFBW 80% Импульс рабочего цикла (около 12 импульсов на измерение)

 

 

Рис. 9 – 1,2 импульса за период измерения

А при менее чем одном импульсе за период измерения результат непригоден.

 

Рисунок 10 – Менее 1 импульса

Разъемы на задней панели:

Рисунок 11 – Задняя панель S5180B

Эти три разъема на задней панели используются для измерения импульсных ВЧ сигналов. Все три служат двойной цели. Ясно, что когда внешний триггер должен быть введен в анализатор ВАЦ, доступ к импульсу 2 невозможен.

Во время синхронных широкополосных (точка в импульсе) измерений с внутренним запуском все три из них являются выходными. Огибающая внутренней импульсной модуляции выводится через разъем с надписью «Pulse In». Дополнительные импульсы Pulse 1 и Pulse 2 выводятся через первые два разъема «Ext Trig Out» и «Ext Trig In» соответственно, как показано ниже.

 

Рис. 12. Поведение импульсного разъема, синхронный широкополосный режим (точка в импульсе) с внутренним запуском

Готовность к запуску Выход триггера, который информирует внешний источник триггера о том, что измерение завершено и можно начать новое. Разъем «Ext Trig In» принимает сигнал запуска от внешнего источника, а разъем «Pulse In» является выходом огибающей импульсной модуляции, как показано ниже.

 

Рис. 13. Поведение импульсного разъема, синхронный широкополосный режим (точка в импульсе) с внешним запуском

В асинхронном импульсном режиме разъем «Импульсный вход» является выходом импульса модуляции, а два разъема запуска работают как обычно. Сигналы Pulse 1 и Pulse 2 недоступны. Источник импульсной модуляции может быть установлен на внутренний или внешний. Внешний запуск не используется.

Если импульсная модуляция должна генерироваться извне, разъем «Pulse In» используется для передачи огибающей модуляции на импульсный модулятор VNA.

 

Рис. 14. Поведение импульсного разъема, асинхронный узкополосный режим с использованием режима внутреннего импульсного модулятора с внешним источником функциональности линейке векторных анализаторов цепей от Copper Mountain Technologies.