2. Электрические импульсы и их параметры

Под электрическим импульсом понимают отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня (в частности, от нулевого), наблюдаемое в течение времени, меньшего или сравнимого с длительностью переходных процессов в схеме.

Как уже было сказано, под переходным процессом понимается всякое резкое изменение установившегося режима в электрической цепи за счёт действия внешних сигналов или переключений внутри самой цепи. Таким образом, переходный процесс – это процесс перехода электрической цепи из одного стационарного состояния в другое. Как бы ни был короток этот переходный процесс, – он всегда конечен во времени. Для цепей, в которых время существования переходного процесса несравненно меньше времени действия внешнего сигнала (напряжения или тока), режим работы считается установившимся, а сам внешний сигнал для такой цепи не является импульсным. Примером этого может служить срабатывание электромагнитного реле.

Когда же длительность действующих в электрической цепи сигналов напряжения или тока становится соизмеримой с длительностью процессов установления, переходный процесс оказывает настолько сильное влияние на форму и параметры этих сигналов, что их нельзя не учитывать. В этом случае бóльшая часть времени воздействия сигнала на электрическую цепь совпадает со временем существования переходного процесса (рис.1.4). Режим работы цепи во время действия такого сигнала будет нестационарным, а воздействие его на электрическую цепь – импульсным.

\

а) б)

Рис.1.4. Соотношение между длительностью сигнала и длительностью

переходного процесса:

а) длительность переходного процесса значительно меньше длительности

сигнала (τ_пп << t);

б) длительность переходного процесса соизмерима с длительностью

сигнала (τ_пп ≈ t).

Отсюда следует, что понятие импульса связывается с параметрами конкретной цепи и что не для всякой цепи сигнал можно считать импульсным.

Таким образом, электрическим импульсом для данной цепи называется напряжение или ток, действующие в течение промежутка времени, соизмеримого с длительностью переходного процесса в этой цепи. При этом предполагается, что между двумя последовательно действующими в цепи импульсами должен быть достаточный промежуток времени, превышающий длительность процесса установления. В противном случае вместо импульсов будут возникать сигналы сложной формы (рис.1.5).

Рис.1.5. Электрические сигналы сложной формы

Наличие промежутков времени сообщает импульсному сигналу характерную прерывистую структуру. Некоторая условность таких определений заключается в том, что процесс установления теоретически длится бесконечно.

Могут быть такие промежуточные случаи, когда переходные процессы в цепях не успевают практически заканчиваться от импульса к импульсу, хотя действующие сигналы продолжают называть импульсными. В таких случаях возникают дополнительные искажения формы импульсов, вызванные наложением переходного процесса на начало последующего импульса.

Различают два вида импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы получают при коммутации (переключении) цепи постоянного тока. Такие импульсы не содержат высокочастотных колебаний и имеют постоянную составляющую (среднее значение), отличную от нуля.

Видеоимпульсы принято различать по их форме. На рис. 1.6. показаны наиболее часто встречающиеся видеоимпульсы.

Рис. 1.6. Формы видеоимпульсов:

а) прямоугольные; б) трапецеидальные; в) остроконечные;

г) пилообразные; д) треугольные; е) разнополярные.

Рассмотрим основные параметры одиночного импульса (рис.1.7).

Рис. 1.7. Параметры одиночного импульса

Форму импульсов и свойства отдельных его участков с количественной стороны оценивают следующими параметрами:

• U_m – амплитуда (наибольшее значение) импульса. Амплитуда импульса U_m (I_m) выражается в вольтах (амперах).

• τ _и – длительность импульса. Обычно измерения длительности импульсов или отдельных участков производят на определённом уровне от их основания. Если это не оговаривается, то длительность импульса определяется на нулевом уровне. Однако чаще всего длительность импульса определяется на уровне 0,1U_m или 0,5U_m, считая от основания. В последнем случае длительность импульса называется активной длительностью и обозначается τ _иа. При необходимости и в зависимости от формы импульсов принятые значения уровней для измерения специально оговариваются.

• τ_ф – длительность фронта, определяемая временем нарастания импульса от уровня 0,1U_m до уровня 0,9U_m .

• τ_с – длительность среза (заднего фронта), определяемая временем спада импульса от уровня 0,9U_m до уровня 0,1U_m. Когда длительность фронта или среза измеряется на уровне 0,5U_m , она называется активной длительностью и обозначается добавлением индекса «а» аналогично активной длительности импульса. Обычно τ_ф и τ_с составляет единицы процентов от длительности импульса. Чем меньше τ_ф и τ_с по сравнению с τ _и , тем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда вместо τ_ф и τ_с фронты импульса характеризуют скоростью нарастания (спада). Эту величину называют крутизной (S) фронта (среза) и выражают в вольтах в секунду (В/с) или киловольтах в секунду (кВ/с). Для прямоугольного импульса

………………………………(1.14).

• Участок импульса между фронтами называют плоской вершиной. На рис.1.7 показан спад плоской вершины (ΔU).

• Мощность в импульсе. Энергия W импульса, отнесённая к его длительности, определяет мощность в импульсе:

………………………………(1.15).

Она выражается в ваттах (Вт), киловаттах (кВт) или дольных едини-

цах ватта.

В импульсных устройствах используются импульсы, имеющие длительности от долей секунды до наносекунд (10 ^{– 9} с).

Характерными участками импульса (рис.1.8), определяющими его форму,

являются:

• фронт (1 – 2);

• вершина (2 – 3);

• срез (3 – 4), иногда называемый задним фронтом;

• хвост (4 – 5).

Рис.1.8. Характерные участки импульса

Отдельные участки у импульсов различной формы могут отсутствовать. Следует иметь в виду, что реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию. Различают импульсы положительной и отрицательной полярности, а также двусторонние (разнополярные) импульсы

(рис. 1.6,е).

Радиоимпульсами называются импульсы высокочастотных колебаний напряжения или тока обычно синусоидальной формы. Радиоимпульсы не имеют постоянной составляющей. Радиоимпульсы получают модулированием высокочастотных синусоидальных колебаний по амплитуде. При этом амплитудная модуляция производится по закону управляющего видеоимпульса. Формы соответствующих радиоимпульсов, полученных с помощью амплитудной модуляции, показаны на рис. 1.9:

Рис.1.9. Формы радиоимпульсов

Электрические импульсы, следующие друг за другом через равные промежутки времени, называются периодической последовательностью (рис.1.10).

Рис.1.10. Периодическая последовательность импульсов

Периодическая последовательность импульсов характеризуется следующими параметрами:

• Период повторения Т_i – промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Он выражается в секундах (с) или дольных единицах секунды (мс; мкс; нс). Величина, обратная периоду повторения, называется частотой повторения (следования) импульсов. Она определяет количество импульсов, в течение одной секунды и выражается в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т.д.

……………………………….. (1.16)

• Скважность последовательности импульсов – это отношение периода повторения к длительности импульса. Обозначается буквой q:

………………… (1.17)

Скважность – безразмерная величина, которая может изменяться в очень широких пределах, так как длительность импульсов может быть в сотни и даже тысячи раз меньше периода импульсов или, наоборот, занимать большую часть периода.

Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения. Эта величина безразмерная, меньшая единицы. Она обозначается буквой γ:

…………………………(1.18)

Последовательность импульсов с q = 2 называется «меандром». У такой

последовательности (рис.1.6,е). Если Т_i >> τ_и, то такая последовательность называется радиолокационной.

• Среднее значение (постоянная составляющая) импульсного колебания. При определении среднего за период значения импульсного колебания U_ср (или І_ср) импульс напряжения или тока распределяют равномерно на весь период так, чтобы площадь U_ср ·Т_i была равна площади импульса S_и = U_m · τ_и (рис. 1.10).

Для импульсов любой формы среднее значение определяется из выражения

……………………(1.19),

где U(t) – аналитическое выражение формы импульса.

Для периодической последовательности импульсов прямоугольной формы, у которой U(t) = U_m , период повторения Т_i и длительность импульса τ_и, это выражение после подстановки и преобразования принимает вид:

…………………….(1.20).

Из рис. 1.10 видно, что S_и = U_m · τ_и = U_ср·Т_i , откуда следует:

……………(1.21),

где U₀ – называется постоянной составляющей.

Таким образом, среднее значение (постоянная составляющая) напряжения (тока) последовательности прямоугольных импульсов в q раз меньше амплитуды импульса.

• Средняя мощность последовательности импульсов. Энергия импульса W, отнесённая к периоду Т_i , определяет среднюю мощность импульса

…………………………….. (1.22).

Сравнивая выражения Р_и и Р_ср, получим

Р_и· τ_и = Р_ср· Т_i ,

откуда следует

…………………(1.23)

и ……………………. (1.24),

т.е. средняя мощность и мощность в импульсе отличаются в q раз.

Отсюда следует, что мощность в импульсе, которую обеспечивает генератор, может в q раз превосходить среднюю мощность генератора.