Оценка характеристик импульсного сигнала при передаче по цепям с распределенными и сосредоточенными параметрами

Надежность железнодорожной системы автоблокировки АБТЦ-МШ всецело зависит от функциональной безопасности и устойчивости работы составляющих ее устройств, большинство из которых работает в импульсном режиме. Одними из основных компонентов устройств импульсного преобразования сигналов являются разнообразные трансформаторы и дроссели, расчет и разработка которых на практике часто затруднены в силу недостаточного учета паразитных параметров и особенностей работы этих электромагнитных систем при подмагничивании сердечника. В статье даны оценки результатов согласования электрических характеристик трансформатора с импедансами нагрузки и источника импульсного сигнала, пригодные для анализа и построения формирующих цепей и линий задержки на базе элементов с сосредоточенными параметрами.

Цель. Целью работы является обоснование инженерной методики расчета длительности переднего фронта сигнала в процессе установления его уровня на выходе формирующей цепи импульсного трансформатора при согласовании с нагрузками и оценка времени задержки включения исполнительного устройства при заданном пороге срабатывания в зависимости от параметров цепи второго порядка, которая часто используется в качестве элемента обратной связи импульсных преобразователей и систем авторегулирования.

Методы. Временные характеристики и форма импульса определяются для трансформатора, схема замещения которого соответствует работе изделия в диапазоне высших частот и учитывает приведенные к первичной обмотке паразитные параметры. Функция сигнала на выходе описывается согласно правилам теории линейных электрических цепей в операторной форме и после последовательно выполненных преобразований Лапласа обобщенное выражение коэффициента передачи сводится к стандартному изображению для цепи второго порядка. Аналитическое решение найдено через определение значений нулей и полюсов функции на комплексной плоскости, как корней квадратного уравнения, выраженных через коэффициент затухания цепи. Приводятся графики поля зависимостей процессов установления амплитуды импульса на выходе формирующей цепи и долей выброса амплитуды от коэффициента затухания при различных соотношениях коэффициентов согласования волнового сопротивления трансформатора с импедансами нагрузки и источника импульсного сигнала. Точечные оценки длительности фронта импульса выполнены с помощью функции программирования Mathcad и с учетом размерности матриц типа TRUE/FALSE, отражающих переход от нуля к единице. Это позволяет предложить линейные аппроксимации зависимостей длительности на заданном интервале с одной точкой перегиба, соответствующей условию полного согласования всех сопротивлений. Приводятся сведения по отклонению аппроксимации от расчетных данных, задержки срабатывания исполнительного устройства по порогу и обсуждение допустимости представления распределенных параметров в виде сосредоточенных элементов при реализации искусственных линий задержки и цепей более высокого порядка.

Результаты. Выводы. Поставленная цель достигается формированием однозначной расчетной зависимости, связывающей длительность фронта сигнала с коэффициентом передачи исследуемой цепи второго порядка. Обоснованность метода получения зависимости основывается на представлении описания выходного сигнала импульсного трансформатора в общем виде, последующем анализе выражения и получением точного аналитического решения с учетом принятых к рассмотрению основных паразитных параметров трансформатора и величин нагрузки.

1. Русин Ю.С. Трансформаторы звуковой и ультразвуковой частоты. Л.: Энергия, 1973. 152 с.

2. Philips Semiconductors. Design of HF wideband power transformers // Application Note ECO6907, 1998. 23 p.

3. Philips Semiconductors. Design of H.F. Wideband Power Transformers, Part II // Application Note ECO7213, 1998. 10 p.

4. Ковалев Н. Применение широкополосных трансформаторов в радиоэлектронной аппаратуре // Компоненты и технология. 2005. № 2. С. 36-38.

5. Зееман С., Осипов А., Сандырев О. Особенности работы высокочастотного трансформатора в схеме последовательного резонансного инвертора // Силовая электроника. 2007. № 1. С. 67-73.

6. Компоненты для построения источников питания. Группа компаний «Симметрон» [электронный ресурс]. URL: www.symmetron.ru/articles/brochures/SMPS.pdf (дата обращения 28.03.2022)

7. Бердников Д.В. Измерение индуктивности рассеяния в трансформаторах импульсных преобразователей с помощью LRC-метра // Современная электроника. 2006. № 8. С. 58-61.

8. Ридли Р. Измерение импеданса трансформаторов. Разработка и конструирование // Электронные компоненты. 2011. №12. С. 10-11.

9. ОСТ4-473.002-78. Трансформаторы сигнальные и дроссели аппаратуры связи. Методы измерения основных параметров.

10. Расчет и моделирование повышающее-понижающего преобразователя напряжения // Схемотехника. 2007. № 4. С. 6-9; № 5. С. 2-6; № 6. С. 8-11; № 7. С. 9-12.

11. Матханов П.Н., Гоголицын Л.З. Расчет импульсных трансформаторов. Л.: Энергия, 1980. 112 с.

12. Кузнецов А. Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания // Схемотехника. 2000. № 1. С. 30-33; № 2. С. 48-49; 2001. № 1(3). С. 32-34.

13. ОСТ4-ГО.012.013. Трансформаторы для аппаратуры проводной связи. Типовой расчет.

14. Волков Е.А., Санковский Э.И., Сидорович Д.Ю. Теория линейных электрических цепей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.д. транспорта. М.: Маршрут, 2005. 509 с.

15. Лэнди Р., Дэвис Д., Албрехт А. Справочник радиоинженера. М.–Л.: Госэнергоиздат, 1961. 704 с.

16. Справочник по радиоэлектронике в трех томах: Т. 1 / Под ред. А.А. Куликовского. М.: Энергия, 1967. 640 с.

17. Каштанов В.В. Анализ фронта выходных импульсов трансформатора // Радиотехника. 1995. № 12. С. 39-40.