上行先导电流脉冲簇模拟发生器设计

2021-12-11陈银东张玉逵柯莉萍杨承梅

气象水文海洋仪器 2021年4期

陈银东，张玉逵，柯莉萍，余吕，杨承梅，张丹

(贵州省威宁县气象局，威宁 553100)

0 引言

上行先导电流脉冲簇模拟发生器对雷电屏蔽的研究有着重要的意义，关于雷电屏蔽所研究的问题中，主要针对的是雷电下行先导与地面凸出物上行先导发展的动态连接的瞬时过程[1]，为更了解这个动态连接过程，进而设计上行先导电流脉冲簇模拟发生器，便于对雷电屏蔽发展的主要特性和发展规律做出分析。雷电的下行先导一般都是利用自然观测结果。对于通信和军事相关部门，对雷电的屏蔽也是至关重要的[2]。由此上行先导电流模拟发生器有广泛的应用前景，为雷电防护领域提供了重要的科学依据，进一步地为人工引雷实验提供更多的实验数据[3，4]。

1 系统分析与方案设计

1.1 设计要求与功能分析

根据按键发出的指令，单片机I/O输出控制信号，通过光耦对单片机输出的控制信号进行隔离放大，经过放大的控制信号可以控制充电开关管和放电开关管的导通和断开，从而控制了外部直流电源对储能电容的充电和放电，最终可以输出可调的电流脉冲。电流脉冲的幅值要求达到60 A以上，每一个电流脉冲之间的时间间隔为6 ms。

因为雷电流浪涌波形近似于指数上升和下降规律的单脉冲性质，Bruce 和 Godle[5]归纳雷电流波形双指数函数：

f(t)=I0k(e-αt-eβt)

(1)

式中，I0为电流脉冲幅值；α为波前衰减系数；β为尾衰减系数；k为波形矫正系数。同样，电压脉冲波形可以表示为：

(2)

式中，U0为电压脉冲幅值；A为矫正系数；τ1为半峰值时间常数；τ2为波头时间常数。

将式(1)和(2)统一归一化处理可得：

(3)

式(3)称为单位峰值电流/电压函数方程，8/20 μs实验雷电浪涌波形对应的值如表1所示。

表1 试验雷电浪涌波形对应的系数值

1.2 放电回路分析与计算

上行先导脉冲放电回路原理如图1所示，由独立的电阻元件和动态元件构成。包括1个储能电容C，1个开关SPST，1个调波电阻R和1个调波电感L，以上器件共同组成了LRC串联二阶电路。

图1 二阶放电回路

如图1所示，二阶放电回路中，开关SPST闭合时，回路中的电压关系可表示为：

uC+uR+uL=0

(4)

在RLC回路中研究放电电流I，根据RLC的电路原理，分析二阶电路的零输入响应电路如下(电容的初始状态ue(0+)=U0，电感初始状态：iL(0+)=0，C=20 μF)。

(5)

(6)

特征方程：

(7)

s1、s2是特征方程(7)的两个特征根。

(8)

为了得到式(3)8/20 μs脉冲波形，结合式(7)的特征方程根s1、s2和表1中8/20 μs脉冲波形系数，根据α、β、k对比计算可得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 电路仿真及分析

选择的仿真软件是Cadence，在Cadence的仿真原器件库里，调用1个交流电源为充放电回路供电，4个1N4007作为全波整流，C2、C3为滤波电容，R9为限流电阻，保护后面的两个开关管不被烧坏。C1为储能电容，R6为调波电阻，L1为调波电感，V1、V2为方波信号源，V1设置为输出电压12 V，带宽5 ms，周期6 ms方波信号，驱动控制IRF840工作，V2设置为输出电压12 V，带宽0.5 ms，周期6 ms，延迟5 ms的方波信号驱动控制IXGK50N60A。将L=1.89717 μH、R=0.61864 Ω、C=20 μF代入仿真原理图中，仿真结果显示：输出的脉冲信号的时间周期是6 ms，除了第1个电流脉冲以外，其他电流脉冲的幅值均达到60 A以上。

调节Cadence仿真波形的时间轴，可以清晰看出完整的1个脉冲的初始值时间和结束时间，完整的时间周期大约36 μs，波前时间约为9 μs，半峰值时间约22 μs。

1.4 系统方案设计

上行先导电流脉冲簇模拟发生器系统主要由单片机控制系统、光耦驱动电路、充电和放电回路组成，整个系统通过单片机控制充放电回路中的电开关管的闭合时间和断开时间来控制整个充电回路和放电回路，达到脉冲电压和电流幅值可调的目的。

充电过程：采用外部80 V的直流电源供电，通过按键向单片机发送指令，单片机收到指令后控制充电开关管的闭合，由充电开关管控制80 V的直流电源经过1个限流电阻给储能电容充电，直至单片机按指令控制的时间停止对储能电容充电，即充电开关管断开。

放电过程：在充电开关管断开的同时，单片机发出指令，闭合放电开关管，储能电容开始放电，放电回路主要采用LRC二阶电路，通过很小的调波电阻，产生瞬时的电流脉冲簇。最终在示波器显示出脉冲波形和电压最大值VPP，再经过计算得出电流脉冲的最大值Imax。

2 硬件电路设计

2.1 充电与放电回路设计

充电与放电回路：该模块包含了两个部分，前半部分为充电回路，后半部分为放电回路，J1为外部直流电源供电，2SK1358和G160N60是两个开关管[6]。R1为限流电阻，防止电流过大，保护充电开关2SK1358不被烧毁，C1为储能电容，电路图如图2所示。

图2 充放电回路

电路在通电之前，储能电容C1两端电压为0 V，2SK1358和G160N60两个开关管处于断开状态，当电路通电以后，单片机在P0.2输出可调的控制信号，通过光耦控制2SK1358导通，即充电电路开始工作，外部直流电源对储能电容进行充电，充电时间达到单片机预设时间以后，STC12C5A60S2单片机发出1个低电平信号，即2SK1358断开，充电结束。

2SK1358断开以后，STC12C5A60S2单片机P0.3输出控制信号，通过光耦驱动控制G160N60闭合，储能电容C1开始放电，放电回路开始工作，当放电时间达到STC12C5A60S2单片机预设时间后，单片机给出一个低电平信号，通过光耦控制G160N60断开，储能电容C1两端电压恢复到0 V，整个充放电过程结束。

2.2 控制与驱动电路设计

STC12C5A60S2单片机的特点：

1)STC12C5A60S2和8051单片机完全兼容；2)工作电压3.3～5.5 V；3)工作频率范围0～35 MHz；4)片上集成1280RAM；5)共有4个16位的定时器T0和T1与8051定时器兼容；6)A/D转换，10位ADC，共8路。

单片机主要控制P0.2、P0.3两个I/O输出两路控制信号，P0.2输出的控制信号控制充电开关管的导通和闭合，即控制储能电容的充电回路时间，P0.3输出的控制信号控制放电开关管的导通和闭合，即控制储能电容的充放电回路时间。

2.3 充电电路设计

该系统采用的开关管驱动芯片是TLP250，是一种光耦驱动芯片，该驱动芯片的驱动信号稳定。TLP250的工作原理是，+VF是单片机控制信号的输入管脚，单片机信号必须用到推挽输出，才能使TLP250正常工作，-VF是接地端，和单片机共地，光耦工作电压范围是10～30 V，此次提供的电源电压是15 V，在VCC和接地之间增加一个0.1 μF的高频瓷片电容，为了使输出信号更稳定。Ve和Vo共接一起作为输出管脚，充电开关管驱动控制充电开关管2SK1358的导通和断开，G1接充电回路2SK1358的栅极，S1接充电回路2SK1358的源极，电路图如图3所示。

图3 充电开关管驱动

工作原理：在单片机P0.2输出控制信号，通过驱动隔离放大后，输出一个电压抬升的驱动信号，控制充电开关管2SK1358闭合，此时外部直流工作电压对储能电容进行充电，当充电时间达到单片机预设的时间之后，P0.2输出低电平控制信号，充电开关管2SK1358断开，充电结束。

2.4 放电电路设计

U4是放电开关管驱动，驱动原理和U3相同，控制放电回路中放电开关管G160N60的导通和断开。当充电开关管2SK1358断开时，单片机P0.3马上给出高电平控制信号，此时放电回路中的放电开关管G160N60导通，储能电容开始放电，当放电时间达到单片机预设值时，单片机P0.3口输出低电平控制信号，放电开关管G160N60断开，整个充放电回路结束，电路图如图4所示。

图4 放电光耦驱动

3 软件电路设计

单片机程序设计：程序设计软件采用Keil，是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性均有明显的优势，所以选择Keil编程软件。

程序的设计流程为：首先对程序初始化，通过按键发出指令控制单片机P0.2、P0.3输出两路控制信号，通过调节控制信号的占空比控制对储能电容时间的充放电时间。同时用按键可以控制单片机产生可调的控制信号，利用定时器在单片机P0.2输出带宽5 ms，时间间隔6 ms的控制信号，且P0.3在P0.2后延迟5 ms，输出的带宽0.5 ms，时间间隔6 ms，脉冲个数和P0.2输出保持一致，从而可以通过按键控制输出不同个数的脉冲簇。

4 发生器调试分析

对发生器的调试主要用示波器测试控制电路输出的两路控制信号，控制信号控制两个开关管的开断，从而控制充放电回路，测试过程：首先给STC12C5A60S2提供直流5 V工作电源，利用下载器和电脑连接在一起，通过Keil的程序编译，生成Hex文件，通过和单片机进行通信，把Hex文件导入单片机，测试需要用示波器的两个通道，一个示波器探头正极接单片机P0.2，另一个示波器探头正极接单片机P0.3，负极都和单片机共同接地，然后对单片机进行复位操作，通过P3.3按键控制计数，P3.2按键控制输出，示波器触发方式设置为单次触发方式，最终通过示波器看到P0.2口输出高电平为5 ms，时间间隔6 ms，脉冲个数可调的方波信号，P0.3口输出高电平为0.5 ms，时间间隔为6 ms，脉冲个数可调且时序上较P0.2口输出信号延迟5 ms。