820脉冲波形发生器

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1、“利用8/20脉冲波形发生器模拟雷电波形”项目可行性分析报告一、项目背景及“8/20脉冲波形发生器”概况人工引发雷电和雷电预警预报技术的不断发展和完善给人类探索闪电提供了更多的科学手段。近30年来我国的科研工作者多次在全国各地引雷成功，为雷电物理和大气电学的研究提供了宝贵的试验数据，同时雷电预警预报技术也在不断发展探索，特别是为服务2008年北京奥运会做了大量的前期研究工作。雷电流的光谱和频谱研究是雷电物理研究中的一个重要的新课题，但由于自然雷电发生具有很大的随机性，自然雷电流的测量非常困难，而随着人工引发雷电技术的成熟得到了较多的人工引发雷电流的直接测量结果，同时研究结果也揭

2、示出不同地区雷电特征也存在着较大的差异，这对雷电物理研究和雷电防护工作提出了更高的要求。雷电波频谱特征是雷电防护技术的重要依据。当雷击于各种线路(电力、信号、天馈等线路)或线路附近时，会在线路上发生雷电流侵入，由于大电流或过电压的作用，从而损坏与之相连的各种电子设备。分析雷电波的频谱结构可以获悉雷电波振幅和能量等在各频段的分布，通过这些数据可以估算出通信系统以及电力系统频带范围内雷电冲击波的振幅和能量的大小，进而确定避雷措施，同时在开发和研究高性能的电子避雷器方面也具有指导意义。在高压技术领域，有学者曾对雷电波的频谱和能量做了分析,对雷电闪击中回击电流波的频谱做过分析，也有建立

3、雷电波数学模型，计算其频谱，这些工作都从不同的角度丰富了雷电流波形的探索和研究。而通过低频信号模拟出雷电波形有助于在安全可控的的条件下，进一步对雷电波频谱特征进行研究。根据国家标准，GB50057～94《建筑物防雷设计规范》)中对雷击参数的定义，选取相关波形作为文章中的雷电波标准波形。GB50057～94中对雷电波的波头时间t1和半峰值时间t2作了以下的规定。即电流峰值0．9倍处E与0．1倍峰值点F连一直线，EF的延长线与电流峰值水平线相交于p点，与横坐标交于点t0，（如图1）。图中时间间隔t1=tp一to，称为雷电波波头时间，从to到波尾一半峰值M点之问的时间间隔t2=tm-

4、to。为雷电波半峰值时间。平时我们所说的雷电波波形是用t1／t2。(us)来表示。文章采用标准波形8／20(us)、10／350(us)、后续雷击0．25／100(us)和国家标准推荐雷电试验的4种波形](1O／200、4／300、1I2／50、10／700(us))，共7个波形作为研究对象。8/20波形发生器则是通过模拟器件制造出820的低功率波形，并以此来对雷电波频谱特征做进一步研究。二、820脉冲波形发生器的构思及设计由于项目所要求模拟波形的幅值至少在20安培以上，综合考虑，所用日常220v交流电源作为能量来源。通过变压器可选变压位12~36v通过桥式整流电路整流为滞留电

5、路。如图所示。桥式整流后进过耦合滤波成为充电电流。充放电电路主要考虑用lrc回路做。通过rl的2阶滤波使原来的直流波形转变为所要求的820脉冲波形。其中最重要的则是电感对整个电路的容抗匹配。容抗的计算和选择关系到最后的输出波形的质量。另外电路的另一个重点应该在于充放电开关的控制。由于充电电容在充满电之后要对rlc回路放电输出脉冲波形，那么对于开关对充放电时间的控制变显得尤为重要了。我们逐步设想可以利用单片机和周围驱动电路通过可编程器件来控制开关的开闭合时间。在程序算法中，可通过单片机2个io口分别输出脉冲方波控制，2个脉冲高电平时间可有间隔作为开关缓冲时间。高电平时间即分别为2

6、开关控制充放电时间。需要注意的是，单片机输出电压为3~5v，故必须外设一运算放大电路升高电压以至能驱动充电控制开关。整个820脉冲波形发生器便可通过以上几步实现。三、从雷电波形及能量分析，谈信息防雷保护在此考虑10／350μs电流波、8／20μs电流波、1.2／50μs电压＋8／20μs电流组合波及10／700μs电压通信波四种波形具有一定的代表性。雷电试验波形几乎都是很快上升到峰值，然后较缓慢地下降到零的形式，如图1所示，它适用于做与外线连接的含有固体化元器的电子设备雷电试验，但不适用于雷电直击设备和雷电引起的电磁干扰的检验。实际上沿通信架空明线线路（现在越来越少）袭入设备的

7、雷电冲击波大部分是振荡波形，沿地下电缆袭入设备的雷电冲击波大部分是持续时间长、近似单极性的双指数波，而雷电直击接地物体使其地电位升高所产生的回击波，多为持续时间较短的单极性波（如图2）。对遭受雷电冲击的能量计算如下式：E＝∫V（t）·I（t）dt＝K·V·I·τ（焦耳）其中：V――在峰值电流下的箝位电压（伏）I――峰值电流（安培）τ――脉冲时间（秒）K――波形因子在此可以将计算的波形分成两个部分，即前半部当成三角波（波形因子K取0.5），后半部当成指数波（波形因子K取1.4）。前半部为波上升