УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С ВЫРАВНИВАНИЕМ АМПЛИТУД РАЗЛОЖЕННЫХ ИМПУЛЬСОВ
DEVICE FOR PROTECTION FROM PULSED SIGNALS WITH LEVELLING AMPLITUDES OF DECOMPOSED PULSES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электронной аппаратуры, преимущественно критичной к воздействию помех, передающихся по проводникам.
В настоящее время для защиты от коротких импульсов с опасно высоким напряжением в линиях передачи применяют электронные компоненты. Но включаемые на входе аппаратуры мощные защитные приборы обладают недостаточным быстродействием, делая защиту от коротких импульсов не соответствующей паспортным данным приборов, а быстродействующие защитные приборы обладают недостаточной мощностью, делая защиту от мощных импульсов ненадежной, что оставляет нерешенной проблему защиты аппаратуры простыми средствами. В результате современные защитные электронные компоненты либо перегорают от воздействия мощных коротких импульсов с опасно высоким напряжением, либо не успевают срабатывать и защищаемая аппаратура выходит из строя.
Наиболее близким к заявляемому устройству является «Устройство защиты от импульсных сигналов» [Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С., патент на изобретение 2431897, дата публикации: 2011.10.20], выбранное за прототип, состоящее из трех параллельных проводников в диэлектрическом заполнении с равными расстояниями между ними, расположенными на одной стороне диэлектрической подложки или с расположением центрального проводника на обратной ее стороне, так, что в поперечном сечении устройства проводники одинаковы, имеют прямоугольную форму, а их длина выбрана так, что разность полных задержек четной и нечетной мод, возбуждаемых импульсным сигналом, больше его длительности, вторым проводником структуры является центральный проводник, первый и второй проводники на одном конце устройства электрически соединены с цепью источника импульсных сигналов, а на другом конце - с защищаемой цепью, и из двух резисторов, электрически соединенных со вторым и третьим проводниками на обоих концах устройства.
Недостатком устройства защиты от импульсных сигналов является то, что устройство не обеспечивает выравнивание импульсов на выходе устройства, тем самым ухудшая коэффициент ослабления, поскольку он определяется по максимальной амплитуде импульсов на выходе.
Предлагается устройство защиты от импульсных сигналов с выравниванием амплитуд разложенных импульсов, состоящее из трех параллельных проводников в диэлектрическом заполнении с равными расстояниями между ними, расположенными на одной стороне диэлектрической подложки или с расположением центрального проводника на обратной ее стороне, так, что в поперечном сечении устройства проводники одинаковы, имеют прямоугольную форму, а их длина выбрана так, что разность полных задержек четной и нечетной мод, возбуждаемых импульсным сигналом, больше его длительности, вторым проводником структуры является центральный проводник, первый и второй проводники на одном конце устройства электрически соединены с цепью источника импульсных сигналов, а на другом конце - с защищаемой цепью, и из двух резисторов, электрически соединенных со вторым и третьим проводниками на обоих концах устройства, отличающееся тем, что цепь источника и защищаемая цепь находятся в тракте с одинаковым волновым сопротивлением, а его значение и значения сопротивления двух резисторов равны среднегеометрическому значению волновых сопротивлений четной и нечетной мод.
Достоинством заявляемого устройства защиты от импульсных сигналов с выравниванием амплитуд разложенных импульсов, в отличие от прототипа, является то, что амплитуды разложенных импульсов равны.
а
а
r
Принцип работы устройства представлен на примере полосковой структуры, поперечное сечение которой представлено на фиг. 1. Схема заявляемого устройства и его соединений представлена на фиг. 1б. Устройство содержит три параллельных проводника в диэлектрическом заполнении 4 и два резистора 3, 6 (R2, R4). Первый (верхний по схеме) и второй (опорный, представленный обозначением схемной земли) проводники на одном конце устройства электрически соединены с цепью источника импульсных сигналов с длительностями фронтов и плоской вершины по 100 пс и амплитудой 1000 В, представленного на схеме идеальным источником эдс 1 и внутренним сопротивлением 2 (R1). На другом конце устройства эти проводники соединены с защищаемой цепью, представленной на схеме эквивалентным сопротивлением 5 (R3). Два резистора 3, 6 (R2, R4) электрически соединены со вторым (опорным) и третьим (пассивным) проводниками на обоих концах устройства. Параметры поперечного сечения (фиг. 1) структуры: w=1 мм, d=2 мм, s=0,1 мм, t=105 мкм, h=0,29 мм, ε=5.
11
22
a
Формы сигнала, вычисленные при условии, что значение сопротивления резисторов R равно значению диагональных коэффициентов (Z=Z=45,24 Ом) матрицы Z, исходя из результатов работы [Broyde F. A new method for the reduction of crosstalk and echo in multiconductor interconnections / F Broyde, Ε Clavelier // IEEE Transactions on circuits and systems. - February 2005. - Vol. 52, №2. - P. 405-416] представлены на фиг 2. Получено, что при данном выборе значения R амплитуды разложенных импульсов не равны между собой (237 В и 246 В). Кроме того, если сопротивление резисторов 3 и 6 (R2 и R4) равно 20 Ом, то амплитуды разложенных импульсов равны 277 В и 207 В (фиг 2б), а при 200 Ом - 180 В и 310 В (фиг 2в). Таким образом, для равенства амплитуд необходим другой выбор значения R.
Известно аналитическое выражение для (нормированных к амплитуде эдс) амплитуд импульсов четной и нечетной мод в конце двух связанных линий [YouH., Soma М. Crosstalk Analysis of Interconnection Lines and Packages in High-Speed Integrated Circuits. IEEE Trans, on Circuits and Systems. No. 8. 1990. P. 1019-1026]. В нашем случае оно имеет вид
где
Приравнивание амплитуд импульсов четной и нечетной мод после простых алгебраических преобразований дает
e
11
12
0
11
12
Формы напряжения при R=41,5 Ом, что равно среднегеометрическому значению импедансов четной и нечетной мод, представлены на фиг. 2г (Z=Z+Z=63,3 Ом, Z=Z-Z=27,2 Ом). При разложении получаются импульсы с равными амплитудами (240 В), а амплитуда напряжения в начале активного проводника линии равна половине ЭДС.
Техническим результатом является выравнивание амплитуд разложенных импульсов для обеспечения более совершенной защиты от коротких импульсов с опасно высоким напряжением в линиях передачи, подключаемых к защищаемым цепям. Технический результат достигается за счет того, что геометрические параметры проводников и диэлектриков, а также относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков выбираются таким образом, что определяемые этими параметрами погонные задержки четной и нечетной мод распространения поперечной электромагнитной волны не равны друг другу, а также за счет того, что значение сопротивлений равно среднегеометрическому значению волновых сопротивлений четной и нечетной мод, что приведет к выравниванию амплитуд импульсов разложения, а значит, к уменьшению максимальной из этих амплитуд.