УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С ЗАДАННЫМ УРОВНЕМ ИХ ОСЛАБЛЕНИЯ
DEVICE FOR PROTECTION FROM PULSED SIGNALS WITH GIVEN LEVEL OF ATTENUATION THEREOF

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 заданный уровень ослабления амплитуды импульсов на выходе.
Предлагается устройство защиты от импульсных сигналов с заданным уровнем их ослабления, 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, 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, и удвоенный квадратный корень отношения волновых сопротивлений четной и нечетной мод, деленный на квадрат суммы квадратного корня отношения волновых сопротивлений четной и нечетной мод и единицы, равен уровню ослабления.
Достоинством заявляемого устройства защиты от импульсных сигналов с заданным уровнем их ослабления, в отличие от прототипа, является то, что оно обеспечивает заданный коэффициент ослабления.
Принцип работы устройства представлен на примере полосковой структуры, поперечное сечение которой представлено на фиг. 1а. 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, представленного на схеме идеальным источником э.д.с. 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.
Известно аналитическое выражение для (нормированных к амплитуде э.д.с.) амплитуд импульсов четной и нечетной мод в конце двух связанных линий [You H., 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
e,o
где V - напряжения четной и нечетной мод;
E - напряжение источника э.д.с;
где R - значения сопротивления резисторов в начале и в конце структуры;
e,o
Z - волновые сопротивления четной и нечетной мод.
Приравнивание амплитуд импульсов четной и нечетной мод после простых алгебраических преобразований дает
e
o
e
o
Амплитуды напряжения импульсов при R=√(Z·Z) легко получить аналитически. Подставив (3) в (1), после простых алгебраических преобразований получим аналитическое выражение для нормированных амплитуд импульсов четной и нечетной мод (они равны друг другу) через их волновые сопротивления (Z>Z):
По полученному аналитическому выражению (4), зная значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод структуры, можно быстро и точно определить ослабление опасного импульса в данной связанной линии, не вычисляя временной отклик.
e
o
0
1
При выполнении условия R=√(Z·Z) напряжение на входе отрезка V=E/2. Тогда, обозначив напряжение на выходе отрезка за V, получим коэффициент ослабления в одном отрезке
e
o
1/2
а используя обозначение k=(Z/Z), получим
Для выражений (5), (6) построенные зависимости приведены на фиг. 2.
Из фиг. 2б видно, что при увеличении k коэффициент ослабления уменьшается. Поэтому актуально увеличение k. Из фиг. 2б видно, что это дает гораздо большее ослабление, причем рост R позволяет еще больше увеличивать его.
Техническим результатом является обеспечение защиты от коротких импульсов с опасно высоким напряжением с заданным уровнем их ослабления в линиях передачи, подключаемых к защищаемым цепям.