上行先導電流脈沖簇模擬發生器設計

陳銀東，張玉逵，柯莉萍，余 呂，楊承梅，張 丹

(貴州省威寧縣氣象局，威寧 553100)

0 引言

上行先導電流脈沖簇模擬發生器對雷電屏蔽的研究有著重要的意義，關于雷電屏蔽所研究的問題中，主要針對的是雷電下行先導與地面凸出物上行先導發展的動態連接的瞬時過程[1]，為更了解這個動態連接過程，進而設計上行先導電流脈沖簇模擬發生器，便于對雷電屏蔽發展的主要特性和發展規律做出分析。雷電的下行先導一般都是利用自然觀測結果。對于通信和軍事相關部門，對雷電的屏蔽也是至關重要的[2]。由此上行先導電流模擬發生器有廣泛的應用前景，為雷電防護領域提供了重要的科學依據，進一步地為人工引雷實驗提供更多的實驗數據[3，4]。

1 系統分析與方案設計

1.1 設計要求與功能分析

根據按鍵發出的指令，單片機I/O輸出控制信號，通過光耦對單片機輸出的控制信號進行隔離放大，經過放大的控制信號可以控制充電開關管和放電開關管的導通和斷開，從而控制了外部直流電源對儲能電容的充電和放電，最終可以輸出可調的電流脈沖。電流脈沖的幅值要求達到60 A以上，每一個電流脈沖之間的時間間隔為6 ms。

因為雷電流浪涌波形近似于指數上升和下降規律的單脈沖性質，Bruce 和 Godle[5]歸納雷電流波形雙指數函數：

f(t)=I0k(e-αt-eβt)

(1)

式中，I0為電流脈沖幅值；α為波前衰減系數；β為尾衰減系數；k為波形矯正系數。同樣，電壓脈沖波形可以表示為：

(2)

式中，U0為電壓脈沖幅值；A為矯正系數；τ1為半峰值時間常數；τ2為波頭時間常數。

將式(1)和(2)統一歸一化處理可得：

(3)

式(3)稱為單位峰值電流/電壓函數方程，8/20 μs實驗雷電浪涌波形對應的值如表1所示。

表1 試驗雷電浪涌波形對應的系數值

1.2 放電回路分析與計算

上行先導脈沖放電回路原理如圖1所示，由獨立的電阻元件和動態元件構成。包括1個儲能電容C，1個開關SPST，1個調波電阻R和1個調波電感L，以上器件共同組成了LRC串聯二階電路。

圖1 二階放電回路

如圖1所示，二階放電回路中，開關SPST閉合時，回路中的電壓關系可表示為：

uC+uR+uL=0

(4)

在RLC回路中研究放電電流I，根據RLC的電路原理，分析二階電路的零輸入響應電路如下(電容的初始狀態ue(0+)=U0，電感初始狀態：iL(0+)=0，C=20 μF)。

(5)

(6)

特征方程：

(7)

s1、s2是特征方程(7)的兩個特征根。

(8)

為了得到式(3)8/20 μs脈沖波形，結合式(7)的特征方程根s1、s2和表1中8/20 μs脈沖波形系數，根據α、β、k對比計算可得s1、s2、C的值，可以求得R和L：

s1=0.175×106，s2=0.1506×106，

C=20 μF，

L=1.89717 μH，

R=0.61864 Ω

1.3 電路仿真及分析

選擇的仿真軟件是Cadence，在Cadence的仿真原器件庫里，調用1個交流電源為充放電回路供電，4個1N4007作為全波整流，C2、C3為濾波電容，R9為限流電阻，保護后面的兩個開關管不被燒壞。C1為儲能電容，R6為調波電阻，L1為調波電感，V1、V2為方波信號源，V1設置為輸出電壓12 V，帶寬5 ms，周期6 ms方波信號，驅動控制IRF840工作，V2設置為輸出電壓12 V，帶寬0.5 ms，周期6 ms，延遲5 ms的方波信號驅動控制IXGK50N60A。將L=1.89717 μH、R=0.61864 Ω、C=20 μF代入仿真原理圖中，仿真結果顯示：輸出的脈沖信號的時間周期是6 ms，除了第1個電流脈沖以外，其他電流脈沖的幅值均達到60 A以上。

調節Cadence仿真波形的時間軸，可以清晰看出完整的1個脈沖的初始值時間和結束時間，完整的時間周期大約36 μs，波前時間約為9 μs，半峰值時間約22 μs。

1.4 系統方案設計

上行先導電流脈沖簇模擬發生器系統主要由單片機控制系統、光耦驅動電路、充電和放電回路組成，整個系統通過單片機控制充放電回路中的電開關管的閉合時間和斷開時間來控制整個充電回路和放電回路，達到脈沖電壓和電流幅值可調的目的。

充電過程：采用外部80 V的直流電源供電，通過按鍵向單片機發送指令，單片機收到指令后控制充電開關管的閉合，由充電開關管控制80 V的直流電源經過1個限流電阻給儲能電容充電，直至單片機按指令控制的時間停止對儲能電容充電，即充電開關管斷開。

放電過程：在充電開關管斷開的同時，單片機發出指令，閉合放電開關管，儲能電容開始放電，放電回路主要采用LRC二階電路，通過很小的調波電阻，產生瞬時的電流脈沖簇。最終在示波器顯示出脈沖波形和電壓最大值VPP，再經過計算得出電流脈沖的最大值Imax。

2 硬件電路設計

2.1 充電與放電回路設計

充電與放電回路：該模塊包含了兩個部分，前半部分為充電回路，后半部分為放電回路，J1為外部直流電源供電，2SK1358和G160N60是兩個開關管[6]。R1為限流電阻，防止電流過大，保護充電開關2SK1358不被燒毀，C1為儲能電容，電路圖如圖2所示。

圖2 充放電回路

電路在通電之前，儲能電容C1兩端電壓為0 V，2SK1358和G160N60兩個開關管處于斷開狀態，當電路通電以后，單片機在P0.2輸出可調的控制信號，通過光耦控制2SK1358導通，即充電電路開始工作，外部直流電源對儲能電容進行充電，充電時間達到單片機預設時間以后，STC12C5A60S2單片機發出1個低電平信號，即2SK1358斷開，充電結束。

2SK1358斷開以后，STC12C5A60S2單片機P0.3輸出控制信號，通過光耦驅動控制G160N60閉合，儲能電容C1開始放電，放電回路開始工作，當放電時間達到STC12C5A60S2單片機預設時間后，單片機給出一個低電平信號，通過光耦控制G160N60斷開，儲能電容C1兩端電壓恢復到0 V，整個充放電過程結束。

2.2 控制與驅動電路設計

STC12C5A60S2單片機的特點：

1)STC12C5A60S2和8051單片機完全兼容；2)工作電壓3.3～5.5 V；3)工作頻率范圍0～35 MHz；4)片上集成1280RAM；5)共有4個16位的定時器T0和T1與8051定時器兼容；6)A/D轉換，10位ADC，共8路。

單片機主要控制P0.2、P0.3兩個I/O輸出兩路控制信號，P0.2輸出的控制信號控制充電開關管的導通和閉合，即控制儲能電容的充電回路時間，P0.3輸出的控制信號控制放電開關管的導通和閉合，即控制儲能電容的充放電回路時間。

2.3 充電電路設計

該系統采用的開關管驅動芯片是TLP250，是一種光耦驅動芯片，該驅動芯片的驅動信號穩定。TLP250的工作原理是，+VF是單片機控制信號的輸入管腳，單片機信號必須用到推挽輸出，才能使TLP250正常工作，-VF是接地端，和單片機共地，光耦工作電壓范圍是10～30 V，此次提供的電源電壓是15 V，在VCC和接地之間增加一個0.1 μF的高頻瓷片電容，為了使輸出信號更穩定。Ve和Vo共接一起作為輸出管腳，充電開關管驅動控制充電開關管2SK1358的導通和斷開，G1接充電回路2SK1358的柵極，S1接充電回路2SK1358的源極，電路圖如圖3所示。

圖3 充電開關管驅動

工作原理：在單片機P0.2輸出控制信號，通過驅動隔離放大后，輸出一個電壓抬升的驅動信號，控制充電開關管2SK1358閉合，此時外部直流工作電壓對儲能電容進行充電，當充電時間達到單片機預設的時間之后，P0.2輸出低電平控制信號，充電開關管2SK1358斷開，充電結束。

2.4 放電電路設計

U4是放電開關管驅動，驅動原理和U3相同，控制放電回路中放電開關管G160N60的導通和斷開。當充電開關管2SK1358斷開時，單片機P0.3馬上給出高電平控制信號，此時放電回路中的放電開關管G160N60導通，儲能電容開始放電，當放電時間達到單片機預設值時，單片機P0.3口輸出低電平控制信號，放電開關管G160N60斷開，整個充放電回路結束，電路圖如圖4所示。

圖4 放電光耦驅動

3 軟件電路設計

單片機程序設計：程序設計軟件采用Keil，是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性均有明顯的優勢，所以選擇Keil編程軟件。

程序的設計流程為：首先對程序初始化，通過按鍵發出指令控制單片機P0.2、P0.3輸出兩路控制信號，通過調節控制信號的占空比控制對儲能電容時間的充放電時間。同時用按鍵可以控制單片機產生可調的控制信號，利用定時器在單片機P0.2輸出帶寬5 ms，時間間隔6 ms的控制信號，且P0.3在P0.2后延遲5 ms，輸出的帶寬0.5 ms，時間間隔6 ms，脈沖個數和P0.2輸出保持一致，從而可以通過按鍵控制輸出不同個數的脈沖簇。

4 發生器調試分析

對發生器的調試主要用示波器測試控制電路輸出的兩路控制信號，控制信號控制兩個開關管的開斷，從而控制充放電回路，測試過程：首先給STC12C5A60S2提供直流5 V工作電源，利用下載器和電腦連接在一起，通過Keil的程序編譯，生成Hex文件，通過和單片機進行通信，把Hex文件導入單片機，測試需要用示波器的兩個通道，一個示波器探頭正極接單片機P0.2，另一個示波器探頭正極接單片機P0.3，負極都和單片機共同接地，然后對單片機進行復位操作，通過P3.3按鍵控制計數，P3.2按鍵控制輸出，示波器觸發方式設置為單次觸發方式，最終通過示波器看到P0.2口輸出高電平為5 ms，時間間隔6 ms，脈沖個數可調的方波信號，P0.3口輸出高電平為0.5 ms，時間間隔為6 ms，脈沖個數可調且時序上較P0.2口輸出信號延遲5 ms。

5 結束語

根據示波器實時測試，證明上行先導電流脈沖簇模擬發生器能輸出單個和多個脈沖信號，電流幅值均能達到60 A以上，且該發生器的運行穩定、可靠，結構簡單，成本低。