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(dǎo)電流脈沖簇模擬發(fā)生器對雷電屏蔽的研究有著重要的意義，關(guān)于雷電屏蔽所研究的問題中，主要針對的是雷電下行先導(dǎo)與地面凸出物上行先導(dǎo)發(fā)展的動態(tài)連接的瞬時過程[1]，為更了解這個動態(tài)連接過程，進(jìn)而設(shè)計上行先導(dǎo)電流脈沖簇模擬發(fā)生器，便于對雷電屏蔽發(fā)展的主要特性和發(fā)展規(guī)律做出分析。雷電的下行先導(dǎo)一般都是利用自然觀測結(jié)果。對于通信和軍事相關(guān)部門，對雷電的屏蔽也是至關(guān)重要的[2]。由此上行先導(dǎo)電流模擬發(fā)生器有廣泛的應(yīng)用前景，為雷電防護(hù)領(lǐng)域提供了重要的科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步地為人工引雷實驗提供更多的實驗數(shù)據(jù)[3，4]。

1 系統(tǒng)分析與方案設(shè)計

1.1 設(shè)計要求與功能分析

根據(jù)按鍵發(fā)出的指令，單片機(jī)I/O輸出控制信號，通過光耦對單片機(jī)輸出的控制信號進(jìn)行隔離放大，經(jīng)過放大的控制信號可以控制充電開關(guān)管和放電開關(guān)管的導(dǎo)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(diào)的電流脈沖。電流脈沖的幅值要求達(dá)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(shù)上升和下降規(guī)律的單脈沖性質(zhì)，Bruce 和 Godle[5]歸納雷電流波形雙指數(shù)函數(shù)：

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(shù)；β為尾衰減系數(shù)；k為波形矯正系數(shù)。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(shù)；τ1為半峰值時間常數(shù)；τ2為波頭時間常數(shù)。

將式(1)和(2)統(tǒng)一歸一化處理可得：

(3)

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

表1 試驗雷電浪涌波形對應(yīng)的系數(shù)值

1.2 放電回路分析與計算

上行先導(dǎo)脈沖放電回路原理如圖1所示，由獨立的電阻元件和動態(tài)元件構(gòu)成。包括1個儲能電容C，1個開關(guān)SPST，1個調(diào)波電阻R和1個調(diào)波電感L，以上器件共同組成了LRC串聯(lián)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(guān)SPST閉合時，回路中的電壓關(guān)系可表示為：

uC+uR+uL=0

(4)

在RLC回路中研究放電電流I，根據(jù)RLC的電路原理，分析二階電路的零輸入響應(yīng)電路如下(電容的初始狀態(tài)ue(0+)=U0，電感初始狀態(tài)：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(jié)合式(7)的特征方程根s1、s2和表1中8/20 μs脈沖波形系數(shù)，根據(jù)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(diào)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(hù)后面的兩個開關(guān)管不被燒壞。C1為儲能電容，R6為調(diào)波電阻，L1為調(diào)波電感，V1、V2為方波信號源，V1設(shè)置為輸出電壓12 V，帶寬5 ms，周期6 ms方波信號，驅(qū)動控制IRF840工作，V2設(shè)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(qū)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(jié)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(dá)到60 A以上。

調(diào)節(jié)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(jié)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(tǒng)方案設(shè)計

上行先導(dǎo)電流脈沖簇模擬發(fā)生器系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、光耦驅(qū)動電路、充電和放電回路組成，整個系統(tǒng)通過單片機(jī)控制充放電回路中的電開關(guān)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(dá)到脈沖電壓和電流幅值可調(diào)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(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)收到指令后控制充電開關(guān)管的閉合，由充電開關(guān)管控制80 V的直流電源經(jīng)過1個限流電阻給儲能電容充電，直至單片機(jī)按指令控制的時間停止對儲能電容充電，即充電開關(guān)管斷開。

放電過程：在充電開關(guān)管斷開的同時，單片機(jī)發(fā)出指令，閉合放電開關(guān)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(diào)波電阻，產(chǎn)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(jīng)過計算得出電流脈沖的最大值Imax。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 充電與放電回路設(shè)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(guān)管[6]。R1為限流電阻，防止電流過大，保護(hù)充電開關(guān)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(guān)管處于斷開狀態(tài)，當(dāng)電路通電以后，單片機(jī)在P0.2輸出可調(diào)的控制信號，通過光耦控制2SK1358導(dǎo)通，即充電電路開始工作，外部直流電源對儲能電容進(jìn)行充電，充電時間達(dá)到單片機(jī)預(yù)設(shè)時間以后，STC12C5A60S2單片機(jī)發(fā)出1個低電平信號，即2SK1358斷開，充電結(jié)束。

2SK1358斷開以后，STC12C5A60S2單片機(jī)P0.3輸出控制信號，通過光耦驅(qū)動控制G160N60閉合，儲能電容C1開始放電，放電回路開始工作，當(dāng)放電時間達(dá)到STC12C5A60S2單片機(jī)預(yù)設(shè)時間后，單片機(jī)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(fù)到0 V，整個充放電過程結(jié)束。

2.2 控制與驅(qū)動電路設(shè)計

STC12C5A60S2單片機(jī)的特點：

1)STC12C5A60S2和8051單片機(jī)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(zhuǎn)換，10位ADC，共8路。

單片機(jī)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(guān)管的導(dǎo)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(guān)管的導(dǎo)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(shè)計

該系統(tǒng)采用的開關(guān)管驅(qū)動芯片是TLP250，是一種光耦驅(qū)動芯片，該驅(qū)動芯片的驅(qū)動信號穩(wěn)定。TLP250的工作原理是，+VF是單片機(jī)控制信號的輸入管腳，單片機(jī)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(jī)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(wěn)定。Ve和Vo共接一起作為輸出管腳，充電開關(guān)管驅(qū)動控制充電開關(guān)管2SK1358的導(dǎo)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(guān)管驅(qū)動

工作原理：在單片機(jī)P0.2輸出控制信號，通過驅(qū)動隔離放大后，輸出一個電壓抬升的驅(qū)動信號，控制充電開關(guān)管2SK1358閉合，此時外部直流工作電壓對儲能電容進(jìn)行充電，當(dāng)充電時間達(dá)到單片機(jī)預(yù)設(shè)的時間之后，P0.2輸出低電平控制信號，充電開關(guān)管2SK1358斷開，充電結(jié)束。

2.4 放電電路設(shè)計

U4是放電開關(guān)管驅(qū)動，驅(qū)動原理和U3相同，控制放電回路中放電開關(guān)管G160N60的導(dǎo)通和斷開。當(dāng)充電開關(guān)管2SK1358斷開時，單片機(jī)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(guān)管G160N60導(dǎo)通，儲能電容開始放電，當(dāng)放電時間達(dá)到單片機(jī)預(yù)設(shè)值時，單片機(jī)P0.3口輸出低電平控制信號，放電開關(guān)管G160N60斷開，整個充放電回路結(jié)束，電路圖如圖4所示。

圖4 放電光耦驅(qū)動

3 軟件電路設(shè)計

單片機(jī)程序設(shè)計：程序設(shè)計軟件采用Keil，是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性均有明顯的優(yōu)勢，所以選擇Keil編程軟件。

程序的設(shè)計流程為：首先對程序初始化，通過按鍵發(fā)出指令控制單片機(jī)P0.2、P0.3輸出兩路控制信號，通過調(diào)節(jié)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(jī)產(chǎn)生可調(diào)的控制信號，利用定時器在單片機(jī)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(shù)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(shù)的脈沖簇。

4 發(fā)生器調(diào)試分析

對發(fā)生器的調(diào)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(guān)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(jī)進(jìn)行通信，把Hex文件導(dǎo)入單片機(jī)，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(jī)P0.2，另一個示波器探頭正極接單片機(jī)P0.3，負(fù)極都和單片機(jī)共同接地，然后對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，通過P3.3按鍵控制計數(shù)，P3.2按鍵控制輸出，示波器觸發(fā)方式設(shè)置為單次觸發(fā)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(shù)可調(diào)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(shù)可調(diào)且時序上較P0.2口輸出信號延遲5 ms。

5 結(jié)束語

根據(jù)示波器實時測試，證明上行先導(dǎo)電流脈沖簇模擬發(fā)生器能輸出單個和多個脈沖信號，電流幅值均能達(dá)到60 A以上，且該發(fā)生器的運行穩(wěn)定、可靠，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。