Имитатор наносекундных импульсных помех

 Одной из важнейших проблем электромагнитной совместимости технических средств является обеспечение их помехоустойчивости, т. е. способности функционировать при воздействии внешних помех искусственного и естественного происхождения. В ближайшее время вся аппаратура промышленного, офисного и бытового назначения должна будет сертифицироваться на устойчивость к воздействию самых разнообразных помех. Особенностям построения имитаторов наносекундных импульсных помех и посвящена эта статья.

В реальных условиях эксплуатации любое электротехническое, электронное и радиоэлектронное устройство подвергается воздействию внешних электромагнитных помех. При этом помехи в зависимости от места их появления делятся на кондуктивные и индуктивные.

Кондуктивные помехи разделяются на следующие виды:

*наносекундные импульсные помехи (Генераторы импульсных помех)

*микросекундные импульсные помехи большой энергии;

* динамические изменения напряжения электропитания (провалы, прерывания, выбросы напряжения сети);

*колебательные затухающие помехи (одиночные и повторяющиеся);

*наведенные радиочастотным электромагнитным полем (150 кГц…80 МГц);

*контрактные электростатические разряды.

К индуктивным помехам относятся:

*воздушные электростатические разряды;

*радиочастотные электромагнитные поля (80…1000МГц);

*магнитные поля промышленной частоты;

*импульсные магнитные поля.

Для оценки качества функционирования устройства необходимо испытательные системы для проверки на его устойчивость к воздействию помех заданного уровня и спектра. Экспериментально подтверждение помехоустойчивости электронного оборудования проводится при помехах, ожидаемых в месте его использования. Последние считаются известными из производственного опыта или на основе проведенных измерений уровня излучений на месте применения электронной аппаратуры.

Для создания помеховой обстановки, приближенной к ситуации на месте эксплуатации аппаратуры, при испытании используют имитаторы помех. Методы испытания аппаратуры на помехоустойчивость оговорены соответствующими стандартами. Так для доказательства помехоустойчивости электронного оборудования к воздействию наносекундных импульсных помех согласно ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 6100D-1-4-95) (1) испытательное оборудование должно обеспечить имитацию широкополосных низкоэнергетических помех в виде пачек импульсов, которыми необходимо проверять сетевые и сигнальные провода, а также линии передачи данных.

Длительность пачек импульсов – 15 мс, перид повторения – 300 мс, частота повторения импульсов в пачке и их амплитуда зависит от степени жесткости испытаний (табл.1).

Отдельные импульсы в пачке имеют вид.

К сожалению, отечественная промышленность серийно не выпускает имитаторы наносекундных импульсных помех с амплитудой выходных импульсов 4…6 кВ, которые необходимы для проверки аппаратуры специального назначения. Зарубежные приборы такого класса очень дороги. Это связано с причинами, на которых мы остановимся ниже.

Генератор пачек импульсов формирует временные ворота, разрешающие работу управляемого генератора заполняющих импульсов. Усилитель-формирователь осуществляет преобразование этих импульсов к виду, необходимому для запуска высоковольтного формирователя. Так как по ГОСТу необходима проверка аппаратуры на устойчивость к импульсам положительной и отрицательной полярности, в состав имитатора введен фазоимвертор.

Наибольшие проблемы возникают при работе высоковольтного формирователя импульсов. Это связано с тем, что коммутирующие приборы, которые используются в этом блоке, должны быть одновременно высоковольтными (Umin ≥ 4 кВ), сильнопоточными (I k max ≥ 80 А) и быстродействующими (t окр ≥5 мс, f ≥ 2,5кГц ).

Авторами был проведен сравнительный анализ мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, биполярных транзисторов с полевым управлением (IGBT), импульсных тиристоров, а также водородных тиратронов и экспериментально исследованы высоковольтные формирователи на их основе.

Наибольшим быстродействием среди силовых твердотельных приборов обладают МДП-транзисторы (2). Однако МДП-приборы, способные переключаться за время t окр ≥ 5 мс, имеют допустимое напряжение Umin, которое не превышает 400…500 В. Поэтому приходится использовать их последовательное включение.

Управление последовательно включенными МДП-транзисторами осуществляется с помощью импульсных трансформаторов на ферритовых кольцах с одним общим проводом первичной обмотки, который проходит через все сердечники. Однако здесь возникает проблема, связанная с необходимостью обеспечения одновременного включения всех приборов. Так как серийные МДП-транзисторы имеют разброс характеристик, обусловленный технологическими причинами, необходимо подбирать приборы с одинаковыми параметрами, что при их большом числе ( N ≥ 10 является непростой задачей, а также использовать сложные цепи выравнивания. Это усложняет промышленное производство таких коммуникаторов и определяет их высокую цену.

Высоковольтные IGBT транзисторы, способные коммутировать необходимое напряжение и ток, не обладают достаточным быстродействием. Были предприняты попытки увеличить крутизну полученных с их помощью высоковольтных импульсов при помощи магнитных цепей сжатия, состоящих из конденсаторов и нелинейных дросселей. Известно, что фронт импульса на выходе такой цепи нарастает со значительно большей скоростью, чем на выходе. Такие цепи обладают дисперсией, связанной зависимостью параметров отдельных звеньев от частоты и с периодических характером изменения свойств системы вдоль направления распространения. Для обеспечения необходимых динамических характеристик формирователя на IGBT транзисторах требуются многозвенные цепочки (3-5 звеньев). Расчет таких цепей является достаточно сложной задачей, а настройка формирователей требует высокой квалификации разработчиков.

Исследование импульсных тиристоров показало, что они способны коммутировать необходимый ток, но имеют недостаточный уровень коммутируемого напряжения (менее 1 кВ) и не обеспечивают требуемого быстродействия. Высоковольтные импульсы напряжения могут быть получены путем последовательного включения тиристоров, либо с использованием схем Аркадьева-Маркса (2). Однако такой подход не позволяет полностью реализовать потенциальные возможности тиристоров по быстродействию. Это связано с неизбежным увеличением паразитной индуктивности и отсутствием условия форсированного переключения приборов.

Более предпочтительным является построение формирователей импульсов с бегущей волной перенапряжения и тока. По мере распространения волны происходит либо обострение фронта, либо сжатие импульса. В таких формирователях были получены импульсы напряжения с амплитудой в несколько киловольт и временем переключения одиночного тиристора. Однако проблемы с быстрым выключением приборов не позволяют устойчиво обеспечить требуемую частоту повторения высоковольтных импульсов. Также не удалось обеспечить повторяемость параметров разработанных формирователей.

Достаточно просто решить поставленную задачу в полной мере удалось с помощью импульсных водородных тиратронов. Современные тиратроны в металлокерамических корпусах имеют небольшие габариты и высокую надежность. Принципиальная схема имитатора импульсных помех, высоковольтный формирователь которого выполнен на водородном тиратроне.