Электромагнитная совместимость источников электропитания в составе электронной аппаратуры

Электромагнитная совместимость (ЭМС) - способность приборов. устройств, технических систем, биологических объектов выполнять заданные функции в условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромагнитных полей, существующих в окружающей их обстановке, и не создавать недопустимые помехи другим объектам.

Применительно к ИЭП под электромагнитной совместимостью понимается способность ИЭП и составляющих их узлов выполнять заданные функции в условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромагнитных полей, а также обеспечивать совместимость их с нагрузкой и системой электроснабжения. Такое разграничение вызвано существенным различием параметров электрических контуров, в которых могут возникнуть нежелательные ударные колебания. Учет особенностей этих контуров и режимов работы отдельных частей электрических схем позволяют выработать рекомендации по обеспечению ЭМС ИЭП в составе ЭА.

Электромагнитную совместимость ИЭП при нормируемом качестве его выходного напряжения с ЭА определяют следующие параметры:

  • • номинальное значение выходного напряжения;
  • • допустимый диапазон изменения выходного тока;
  • • нестабильность выходного напряжения;
  • • пульсация выходного напряжения (среднеквадратическое значение);
  • • размах пульсирующего выходного напряжения;
  • • гармонические составляющие выходного напряжения в определенном диапазоне частот при заданной полосе анализа.

Характер размаха Л пульсирующего напряжения (от пика до пика) иллюстрируется графиком изменения выходного напряжения, приведенном на рис. 2.117, где ?/вых - выходное напряжение ИЭП, наблюдаемое в течение времени t.

Характер размаха Л i |ул ьсиру ю и ic го напряжения (от пикало пика)

Рис. 2.117. Характер размаха Л i |ул ьсиру ю и ic го напряжения (от пикало пика)

Электромагнитную совместимость ИЭП при нормируемом качестве его выходного тока с ЭА определяют следующие параметры:

  • • номинальное значение выходного тока;
  • • допустимый диапазон изменения выходного напряжения;
  • • нестабильность выходного тока;
  • • пульсация выходного тока.

Источниками электромагнитных помех могут быть любые компоненты схемы, вызывающие импульсное изменение тока (напряжения). В источниках электропитания такими компонентами являются, как правило, активные приборы (транзисторы, тиристоры, диоды, модуляторные лампы и т. п.). Уровни помех, создаваемые различными функциональными элементами и узлами, могут существенно различаться. Так, помехи от выпрямителей меньше помех от преобразователей. Однако на чувствительную нагрузку они могут оказывать существенное влияние.

Основными схемными устройствами, применяемыми для снижения уровня помех, являются стабилизаторы напряжения непрерывного действия и фильтры. Рассмотрим работу выпрямителей, преобразователей, фильтров и их составных частей в широком диапазоне частот.

Электромагнитные помехи, создаваемые выпрямителями, обусловлены двумя основными причинами: нелинейностью характеристик диодов и временем прохождения коммутационных процессов в них. Нелинейность характеристик проявляется в искажении формы тока, потребляемого из системы электроснабжения. Возникающие при этом помехи находятся в низкочастотной части спектра. В этом случае затрудняется электромагнитная совместимость ЭА, получающей электроэнергию от одной системы электроснабжения. Снижение уровня помех, проходящих в систему электроснабжения, достигается применением громоздких фильтров.

Если система электроснабжения вырабатывает напряжение синусоидальной формы, то его искажение существенно зависит от соотношения мощностей систем электроснабжения и электропитания. Так, в режиме холостого хода коэффициент гармоник в выходном напряжении системы электроснабжения обычно не превышает 5 %. При мощности генератора трехфазного тока 120 кВт входное напряжение трехфазного мостового выпрямителя мощностью 20 кВт искажается в меньшей степени, чем при мощности генератора 30 кВт. В последнем случае соотношение мощностей систем электроснабжения и электропитания не обеспечивает их электромагнитную совместимость.

Выпрямитель для преобразователей напряжения

Рис. 2.118. Выпрямитель для преобразователей напряжения

Коммутационные помехи выпрямителей расположены, как правило, в области высоких частот. В приведенной на рис. 2.118 схеме выпрямителя на двух диодах VD и VD2, являющейся традиционной для сильноточных низковольтных преобразователей напряжения, при переключении из открытого состояния в закрытое в связи с инерционностью диодов возможно одновременное протекание тока через них в течение короткого промежутка времени. Это приводит к возникновению периодических ударных колебаний. Максимальное напряжение ударных колебаний находится в прямой зависимости от индуктивности рассеяния трансформатора. Такая же зависимость существует между максимальным обратным током диодов и временем рассасывания носителей заряда. При увеличении индуктивности рассеяния трансформатора и емкости диода частота ударных колебаний снижается.

Высокочастотные помехи передаются из вторичной обмотки трансформатора в первичную и, следовательно, в систему электроснабжения. Если напряжение ударных колебаний, приведенное к первичной обмотке трансформатора, достигает значения Uy K, то уровень помехи в системе электроснабжения Un можно представить следующей зависимостью:

где гсэс - сопротивление системы электроснабжения (включая подводящие к источникам электропитания проводники); zr - сопротивление трансформатора со стороны системы электроснабжения; z3a - сопротивление ЭА.

Значения сопротивлений гсэс и zT соответствуют частоте ударных колебаний.

Выпрямитель с шунтирующими КС-цепям и

Рис. 2.119. Выпрямитель с шунтирующими КС-цепям и

Уровень помехи Un, возникающей при закрывании диодов выпрямителя, может быть снижен включением /?С-цепей параллельно диодам или вторичным обмоткам трансформатора. Включение шунтирующей /?С-цепи на выходе выпрямителя (R5 и С-, в схеме, приведенной на рис. 2.119) рекомендуется при наличии LC-фильтра или индуктивной нагрузки и при отсутствии С-фильтра. При этом параметры /?С-цепей выбираются из условия обеспечения апериодических переходных процессов в колебательных контурах (рекомендуемые значения емкости для выпрямителей средней мощности находятся в пределах 0.3...3 мкФ). Применение RC-цепей уменьшает частоту ударных колебаний настолько, что становится эффективным использование сглаживающих фильтров с рабочей частотой

10...40 кГц.

Одним из эффективных способов снижения помех при работе выпрямителя на индуктивную нагрузку является включение обмоток дросселя фильтра II в цепь каждого диода (рис. 2.120). В этом случае происходит ограничение коммутируемого тока благодаря индуктивности рассеяния дросселя.

Выпрямитель с дросселям и и цепях диодов

Рис. 2.120. Выпрямитель с дросселям и и цепях диодов

В однофазных выпрямителях, собранных по мостовой схеме, снижение амплитуды ударных колебаний достигается включением сопротивлений последовательно с каждым диодом (рис. 2.121, а). Недостатком этого способа является потеря мощности на резисторах, сопротивление которых выбирается в диапазоне 0,5... 1 Ом. В однофазных мостовых выпрямителях можно применить также включение конденсаторов в диагонали моста (рис. 2.121. б). благодаря чему уменьшается частота и максимальное значение ударных колебаний. Однако введение в схему четырех конденсаторов усложняет ее исполнение.

Мостовые выпрямители с включением резисторов и цепи диодов (а) и конденсаторов в диагонали моста (б)

Рис. 2.121. Мостовые выпрямители с включением резисторов и цепи диодов (а) и конденсаторов в диагонали моста (б)

Влияние частотных свойств диодов в диапазоне частот 0.02... 100 МГц выражается в том. что максимальное значение ударных колебаний снижается с уменьшением времени восстановления обратного напряжения на диоде.

Для источников электропитания импульсного действия характерно наличие широкого спектра частот. При рабочей частоте преобразования 20... 100 кГц спектр помех, генерируемый транзисторами преобразователя напряжения, может составлять до 1,5 ГГц и более. При таком широком спектре значительная мощность помех передается излучением. В составе преобразователей напряжения одни компоненты создают преимущественно электрическое поле, другие - магнитное. К первым относятся слаботочные компоненты (как правило, компоненты устройств управления), ко вторым - сильноточные компоненты (силовые трансформаторы, мощные усилители, выпрямители, фильтры и т. д.). Любому электрическому полю сопутствует магнитное поле и. наоборот, пока частота не станет равной нулю. Источниками магнитного поля в преобразователях напряжения могут быть дроссели фильтров и цепи постоянного и пульсирующего токов.

Связь между напряженностями электрического Е и магнитного Я полей выражается через волновое сопротивление z = Е/Н. При нормальном падении волны электрическое волновое сопротивление zE и магнитное волновое сопротивление z,, определяются зависимостями - комплексные значения соответственно электрической и магнитной составляющих поля. Значения модулей указанных сопротивлений ближней и дальней зон определяются из следующих выражений:

где - длина волны; г - расстояние от

точки возникновения поля.

На рис. 2.122 приведены зависимости функций % и zn от расстояния до точки возникновения волны, построенные по выражениям (2.19) и (2.20).

В предельном случае при характерном для ближней

зоны, получим

В другом предельном случае при рг »1, характерном для дальней зоны, имеем Zp = = zIf-z0. Это случай образования в дальней зоне волны с одинаковыми значениями электрической и магнитной составляющих. При рг= 0,71 имеет место равенство 2п ~ 2И' 470 соответствует явлениям, характерным для дальней зоны. При рг > 0.71 имеет место неравенство zIt > гЕ, которое с ростом рг ослабевает и при г > ЗА. превращается в приближенное равенство.

Зависимости вол но вы х со 11 рот и в лег i и й составляющих поля от расстояния до точки возникновения волны

Рис. 2.122. Зависимости вол но вы х со 11 рот и в лег i и й составляющих поля от расстояния до точки возникновения волны:

1 гп/Ч

Анализ ближних и дальних зон целесообразно проводить с учетом размера элемента /, определяющего поле и выраженного в единицах длины волны А.. Размеры элементов (компонентов) ИЭП обычно значительно меньше длины волны, т. е. I« X. Лишь соединительные провода и преобразователь в целом могут быть сравнимы с длиной волны, если частоты превышают 100 МГц.

В дальней зоне напряженности электрического и магнитного полей пропорциональны частоте колебаний, а мощность колебаний пропорциональна квадрату частоты. Поэтому повышение рабочей частоты преобразования сопровождается увеличением мощности радиопомех. Так, при рабочей частоте около 160 кГц мощность радиопомех составляет примерно 1 % от мощности преобразователя, при этом частотный диапазон помех достигает нескольких сотен мегагерц.

Пространство, в котором распространяются электромагнитные волны, обычно не бывает однородным. В нем располагаются части конструкции ИЭП, выполненные в герметизированных и негерме- тизированных корпусах, которые изменяют условия распространения электромагнитных волн, конфигурацию и распределение поля.

Основным источником помех в преобразователях напряжения являются транзисторы, работающие в ключевом режиме. Линейные и нелинейные элементы в составе преобразователя оказывают существенное влияние на формирование спектра всего источника ИЭП. Учитывая. что спектр помех достаточно широк (порядка 1.5 ГГц), его можно условно разделить на три части: низкочастотную (включающую частоту преобразования), высокочастотную и субгармоническую.

Низкочастотная часть спектра является следствием прохождения импульсов напряжения прямоугольной формы со скошенной вершиной, имеющей вид экспоненты. С достаточной для практики степенью приближения последовательность импульсов может быть представлена пилообразной формой для режима с коэффициентом заполнения, близким к единице, или треугольной формой для режима с коэффициентом заполнения k3 = 0.5.

При разложении напряжения в ряд Фурье амплитуда k-n гармоники определяется следующими зависимостями:

где ит.лх - максимальное значение переменной составляющей напряжения.

В соответствии с выражениями (2.21) и (2.22) при рабочей частоте преобразования 100 кГц и максимальном значении переменной составляющей Um = 1 мВ частота гармоники, при которой ее амплитуда уменьшается до 26 дБ (соответствует 20 мкВ), составляет примерно 5 МГц при 1 « X и 2 МГц при 1 > А, / 2. Отсюда следует, что при рассмотрении низкочастотной части спектра следует учитывать не менее 20 гармоник.

На формирование низкочастотной части спектра существенное влияние оказывают также другие компоненты преобразователя, и в первую очередь трансформаторы и дроссели. Определяется это влияние тем. что при достижении определенной частоты, входящей в низкочастотную часть спектра преобразователя, уменьшается магнитная проводимость сердечника и магнитное поле выходит из него в окружающее пространство. Кроме того, трансформаторы и дроссели имеют ряд паразитных емкостей между обмотками и сердечником, которые могут оказывать влияние на формирование амплитуд высших гармоник низкочастотной части спектра. Трансформаторы и дроссели могут иметь ряд резонансных частот, расположенных в верхней части низкочастотного спектра, которые оказывают влияние и на его высокочастотную часть.

Высокочастотная часть спектра определяется высокой крутизной фронта и среза импульса переключения и влиянием линейных и нелинейных компонентов преобразователя. Колебания, возникающие при включении и отключении, носят ударный характер и затухают за время, существенно меньшее периода основной частоты, а их уровни и спектр определяются в основном распределенными параметрами трансформаторов и дросселей.

В трансформаторе наряду с индуктивностью I,. обусловленной основным потоком в сердечнике, имеются индуктивности рассеяния обмоток Lv которые определяются потоками рассеяния обмоток. Кроме того, необходимо учитывать наличие распределенных емкостей: межвитковой, межобмоточной, между обмотками и экраном, между обмотками и сердечником и т. д. Эти емкости могут быть представлены в виде эквивалентного нелинейного конденсатора С:), приведенного к одной из обмоток трансформатора. Частоты собственных резонансов трансформатора могут быть определены по выражениям

Для трансформаторов, выполненных на ферритовых сердечниках, обычно L j » Ls и, следовательно,/о1 < /02. Однако необходимо учитывать нелинейность емкости Сэ и снижение магнитной проницаемости с частотой, что ведет к росту индуктивности рассеяния. В многообмоточных трансформаторах и дросселях преобразователей возможно возникновение достаточно большого числа ударных колебаний, которые в сумме образуют широкий спектр помех. Экспериментальные данные показывают, что частоты ударных колебаний практически совпадают с частотами вторых резонансов трансформаторов, определяемых индуктивностями рассеяния обмоток последних.

Уменьшить амплитуды ударных колебаний можно, увеличив длительности фронта и спада импульса переключения, однако при этом возрастают потери в транзисторах преобразователя. Поэтому для ИЭП, от которых требуется высокий КПД, такой способ не рекомендуется.

Влияние других элементов схемы на формирование высокочастотного спектра преобразователя может быть объяснено следующим образом. На частотах, превышающих 5... 10 МГц, параметры ряда конденсаторов начинают ухудшаться (например, у конденсаторов фильтров, которые обычно имеют большую емкость и значительную собственную индуктивность). Ухудшение параметров выражается в снижении емкости из-за уменьшения диэлектрической проницаемости е с ростом частоты и появлением собственного резонанса. При частоте, большей резонансной, конденсатор превращается в индуктивный элемент. Уменьшение диэлектрической проницаемости с частотой, по аналогии с магнитным сердечником, приводит к выходу электрического поля в окружающее пространство, т. е. к его излучению. Уменьшение емкости с частотой ведет к росту переменной составляющей напряжения, что вызывает разогрев конденсатора и дальнейшее изменение диэлектрической проницаемости.

Субгармоническая часть спектра определяется некоторыми режимами работы преобразователя напряжения. Например, высокочастотный преобразователь, охваченный отрицательной обратной связью, может работать на более низких частотах, кратных частоте преобразования, т. е. на субгармониках. Это может иметь место при работе в режиме холостого хода, когда для стабилизации напряжения на выходе преобразователя требуется мало энергии и он начинает работать через один, два или большее число импульсов.

Рассматриваемую модель принципа формирования спектра высокочастотного преобразователя напряжения иллюстрирует график на рис. 2.123, на котором приведены уровни помех различных преобразователей при подаче на инвертор напряжения постоянного тока. Если за 0 дБ принять уровень 1 мкВ/м, то уровень помех составит:

при входном напряжении 27 15 постоянного тока............ 60...70 дБ

при входном напряжении 60 В постоянного тока............ 70...80дБ

при выпрямленном напряжении .'510 15, что соответствует

напряжению сети 220 15 переменного тока........................... 80... 100 дБ

при выпрямленном напряжении 540 В, что соответствует напряжению сети .'580 15 переменного тока..........................100... 120 дБ

Зависимость уровня помех отняв ряжен и я системы электроснабжения

Рис. 2.123. Зависимость уровня помех отняв ряжен и я системы электроснабжения

Ширина спектра помех определяется в основном скоростью коммутации силовых ключей. Эффективными средствами борьбы с высокочастотными помехами являются экранирование и фильтрация. Применение других средств, например, уменьшение крутизны фронта и среза импульса с целью сокращения спектра или выбор гладкой формы функции переключения в высокочастотных преобразователях неприемлемо из-за снижения КПД.

В сравнительно мощных передающих устройствах основным видом помех являются радиоизлучения как в рабочей полосе, так и за ее пределами. Они могут влиять на внешнюю и внутреннюю электромагнитную обстановку и привести к сбою устройств, участвующих в обработке маломощных сигналов, в том числе схем управления ИЭП. Нежелательные радиоизлучения распространяются различными путями: через антенно-фидерную систему; по проводникам, соединяющим ЭА с ИЭП; через отверстия в корпусах; через кабели, разъемы и другие связи.

Влияние ИЭП на систему электроснабжения определяется несколькими факторами: потребляемой реактивной мощностью, которая усложняет стабилизацию напряжения в системе электроснабжения; искажением формы напряжения в системе электроснабжения за счет генерирования высших гармоник; нарушением симметрии напряжений в системе электроснабжения.

При наличии системы электроснабжения переменного тока характерным для ИЭП является искажение формы синусоиды входного напряжения и входного тока. Это объясняется тем, что нагрузкой входного выпрямителя в составе источника обычно является емкостной или LC-фильтре.

Поскольку искажение формы синусоиды определяется углом а отсечки тока, протекающего через выпрямитель, то уменьшение этого угла приводит к импульсному потреблению тока источником электропитания (при а= 25°, характерном для многих практических случаев, коэффициент несинусоидальности формы кривой тока не превышает 0,5). При системах автономного электроснабжения ограниченной мощности импульсное потребление тока может приводить к ложным срабатываниям устройств защиты, к перегрузкам по мощности систем электроснабжения за счет наличия высших гармоник в кривой тока и к искажению формы кривой напряжения.

Характер потребления мощности ИЭП определяется коэффициентом мощности

где Ра - активная составляющая мощности; Ри - полная мощность.

Искажение формы синусоиды входного тока может привести к снижению коэффициента мощности до 0,6 (при ос< 30).

Для исключения влияния на работу ИЭП внешних электрических и магнитных полей и локализации их в замкнутом объеме пространства применяют экраны, расчет и конструктивные особенности которых приведены в разд. 3.

Снижения помех от ИЭП можно добиться использованием хаотических сигналов управления.

Пульсации выходного напряжения ИЭП характеризуются дискретным спектром. Если энергетический спектр напряжения сделать непрерывным и широкополосным, то возможно снижение уровней гармонических составляющих напряжения. Поскольку непрерывным и широкополосным спектром характеризуются хаотические колебания, то использование их в ИЭП позволяет решить задачу изменения уровня и спектрального состава помех. Для этого в состав ИЭП вводится генератор хаотических сигналов, которые подмешиваются к импульсам управления. Поскольку генератор представляет собой динамическую систему с хаотическим поведением, то хаос называют динамическим.

Для того чтобы изучить влияние генератора динамического хаоса на работоспособность ИЭП. рассмотрим ИЭП импульсного действия с последовательным включением регулирующего транзистора, структурная схема которого представлена на рнс. 2.124. Устройство коммутации УК обеспечивает стабилизацию выходного напряжения ?/1ШХ при работе с тактовой частотой примерно 25 кГц. Входное напряжение ?/пх фильтруется при помощи дросселя L и конденсатора С|. Делитель напряжения ДН, триггер Т, устройство сравнения УС и транзистор 73 осуществляют управление устройством коммутации. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения служит фильтр, содержащий диод D1, дроссель L2 и конденсатор СА.

Структурная схема импульсного источника электропитания с последовательным включением регулирующего транзистора

Рис. 2.124. Структурная схема импульсного источника электропитания с последовательным включением регулирующего транзистора:

УК устройство коммутации; ДН делитель напряжения;'!' триггер; УС - устройство сравнения; I X icnepaiop хаоса

Источники подобного типа имеют повышенное значение переменной составляющей выходного напряжения. Кроме того, при изменении входного напряжения и тока нагрузки существенно меняется частота коммутации. Введение отрицательной обратной связи в схеме позволяет несколько снизить пульсации выходного напряжения, но не устраняет значительные выбросы напряжения на частотах. определяемых тактовой частотой устройства коммутации.

Хаотический сигнал может подмешиваться к управляющим импульсам в различных точках схемы. В схеме, приведенной на рис. 2.110, хаотический сигнал от генератора хаоса ГХ подмешивается к управляющим прямоугольным импульсам, поступающим на триггер по цепи обратной связи, и к пилообразным импульсам, приходящим на базу составного транзисторного ключа УК от устройства сравнения по линиям, отмеченным пунктиром.

Для тактовых частот преобразования ИЭП 20... 100 кГц можно использовать различные схемные решения генераторов хаоса. Наибольшей эффективностью обладают автономные генераторы хаоса, отличающиеся простотой, легкой управляемостью и развитыми стохастическими режимами работы. Среди автономных генераторов следует выделить схемы, способные генерировать динамический хаос в нижней части радиоднапазона 10...200 кГц. К ним в первую очередь следует отнести: генератор с инерционной нелинейностью, генератор на основе двух связанных осцилляторов, генератор Колпитца. генератор на туннельном диоде, генератор типа свернутого тора, генератор Чуа.

Генератор с инерционной нелинейностью (рис. 2.125, а) вырабатывает развитые хаотические колебания, однако он сложен в управлении вследствие необходимости одновременного варьирования несколькими параметрами как для перестройки режима колебаний, так и для перестройки основной частоты колебаний. Кроме того, генератор содержит сложные и громоздкие узлы (трансформатор, усилители, детектор. фильтр), которые могут ухудшить электромагнитную обстановку в ИЭП.

Генератор с двумя связанными простыми осцилляторами четвертого порядка (рис. 2.125, б) имеет различные собственные частоты. При наложении этих частот друг на друга возникают биения (квази- периоднческие движения, содержащие в себе некоторую конечную сумму гармоник), которые при определенных значениях параметров вырождаются в хаотические колебания со сплошным спектром. При этом в широкополосном спектре выделяются несколько максимумов, соответствующих собственным частотам осцилляторов.

Структурные схемы автономных генераторов динамического хаоса

Рис. 2.125. Структурные схемы автономных генераторов динамического хаоса:

а с I ш грином мои нелинейностью; 6 с двумя связанными простыми осцилляторами четвертого порядка; в Колпитца; «г на туннельном диоде; 6 тина свернутого тора; в Чуа

Наличие в спектре двух максимумов, соответствующих двум основным частотам, затрудняет эффективное подавление гармоник, совпадающих по частоте с этими максимумами.

Основным недостатком генератора на туннельном диоде (рис. 2.125, г) является высокая чувствительность режимов его работы к изменению параметров схемы, что может привести к выходу из хаотического режима. Нестабильность характеристик туннельных диодов во времени и при воздействии влияющих величин приводит к неустойчивой работе генератора в составе НЭП в жестких условиях эксплуатации.

Структурная схема генератора типа свернутого тора, состоящая из четырех элементов (нелинейного резистора, нелинейных пассивных элементов L и С| и активной внешней емкости С2). представлена на рис. 2.125, Э. Через UC[, UC1 и iL обозначены соответственно напряжение на конденсаторе С], напряжение на конденсаторе С2 и ток через индуктивность L.

Генератор Колпитца, построенный на основе емкостного трехточечного транзисторного автогенератора (рис. 2.125, в), способен формировать хаотический режим работы в широком диапазоне частот при определенном сочетании параметров. Генератор содержит один нелинейный активный элемент - биполярный транзистор Q. Обратная связь образована индуктивностью L, сопротивлением RL и делителем напряжения из емкостей С] и С2. а рабочая точка транзистора устанавливается с помощью напряжений Uj. ii Uc и сопротивления R. Спектр выходного сигнала весьма широкополосный (приближающийся к шумовому), поэтому на выходе генератора включается частотно-избирательный фильтр, сужающий спектр.

Динамические процессы в генераторе Чуа (рис. 2.125, е) описываются следующими дифференциальными уравнениями:

где G = 1 /R. g(UR) - пятисегментная ВАХ нелинейного элемента. В этом генераторе в качестве управляющего параметра могут выступать величины R. L или С2. Варьируя значение одной из них, можно получать как регулярные, так и стохастические режимы работы. Возможна также перестройка энергетического спектра хаотических колебаний в частотной области.

Сравнение приведенных схем генераторов показывает, что наиболее перспективными для применения в ИЭП являются схемы генераторов Колпитца и Чуа. В них реализуются развитые и разнообразные устойчивые хаотические режимы, они просты в управлении. Схема Чуа имеет преимущество по сравнению с другими схемами, так как ее анализ возможен методами расчета, моделирования и эксперимента.

Наиболее эффективным режимом работы генератора Чуа является формирование хаотических колебаний со сплошным широкополосным спектром. Этот режим реализуется в достаточно широком диапазоне значении параметров схемы и является наиболее устойчивым. Максимум энергии контурных колебаний сосредоточен на частоте /0. Эти колебания являются монотонно нарастающими после каждого переключения. Переключающие колебания являются хаотическими и определяют вид низкочастотной части сплошного широкополосного спектра (рис. 2.126). Частоту уф на которой сосредоточен максимум энергетического спектра хаотических колебаний в генераторе Чуа, можно изменять и таким способом перестраивать спектр на оси частот.

Хаотические колебания в схеме генератора Чуа и соответствующие им энергетические спектры

Рис. 2.126. Хаотические колебания в схеме генератора Чуа и соответствующие им энергетические спектры:

а форма колебании на конденсаторе С, (состороны нелинейного элсх1смта); 6 форма колебании на конденсаторе С2 (со стороны колебательного контура)

На рис. 2.126 представлены формы хаотических колебаний, возникающих со стороны нелинейного элемента и колебательного контура. В первом случае значительная часть энергии колебаний сосредоточена на субгармониках /0 (переключающие колебания) и перестройка основной частоты слабо влияет на эту часть спектра. Для использования в составе ИЭП более перспективными представляются хаотические колебания со стороны колебательного контура с «колоколообразным» спектром. В этом случае при достаточно большом значении /() можно ожидать перераспределения энергии помехи ИЭП в более высокочастотную область, что и требуется для обеспечения работы схемы (/0 >/к, где/к - частота коммутации источника и основная частота помехи).

Наилучшее подавление гармонических составляющих наблюдается при расстройке /() относительно/к в 1,5-2 раза, причем /() > /к. При этом основная гармоническая составляющая помехи оказывается лежащей в «субгармонической» области хаотического сигнала. Можно ожидать, что при увеличении /0, когда в зоне субгармоник хаотического сигнала окажутся все основные составляющие спектра помехи, их ослабление станет еще большим. В высокочастотной области, в свою очередь, перераспределенные гармонические составляющие могут быть ослаблены с помощью помехоподавляющего фильтра, имеющего гораздо меньшие объем и массу по сравнению с НЧ-фильтром. В связи с этим актуальной задачей становится повышение частоты /о генератора хаоса.

При подмешивании хаоса ИЭП работает в так называемом слабохаотическом режиме. Этот режим характеризуется наличием флуктуаций частоты переключения, амплитуды и длительности управляющих импульсов, при этом сохраняется общая устойчивость в работе источника и остается практически неизменным КПД.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >