Імпульси електричного струму певних заданих. Електричні імпульси та їх параметри
Під електричним імпульсом розуміють відхилення напруги або струму від деякого постійного рівня (зокрема, від нульового), яке спостерігається протягом часу, меншого або порівнянного з тривалістю перехідних процесів у схемі.
Як було зазначено, під перехідним процесом розуміється всяке різке зміна встановленого режиму електричної ланцюга рахунок дії зовнішніх сигналів чи перемикань всередині самої ланцюга. Таким чином, перехідний процес – це процес переходу електричного кола з одного стаціонарного стану до іншого. Яким би не був короткий цей перехідний процес, – він завжди скінченний у часі. Для ланцюгів, у яких час існування перехідного процесу незрівнянно менший за час дії зовнішнього сигналу (напруги або струму), режим роботи вважається таким, що встановився, а сам зовнішній сигнал для такого ланцюга не є імпульсним. Прикладом цього може бути спрацювання електромагнітного реле.
Коли ж тривалість сигналів напруги або струму, що діють в електричному ланцюзі, стає сумірною з тривалістю процесів встановлення, перехідний процес надає настільки сильний впливна форму та параметри цих сигналів, що їх не можна не враховувати. В цьому випадку більша частина часу впливу сигналу на електричний ланцюг співпадає з часом існування перехідного процесу (рис.1.4). Режим роботи ланцюга під час дії такого сигналу буде нестаціонарним, а його вплив на електричний ланцюг – імпульсним.
Рис.1.4. Співвідношення між тривалістю сигналу та тривалістю
перехідного процесу:
а) тривалість перехідного процесу значно менша за тривалість
сигналу ( τ пп<< t );
б) тривалість перехідного процесу співмірна з тривалістю
сигналу ( τ пп ≈ t ).
Звідси випливає, що поняття імпульсу пов'язується з параметрами конкретного ланцюга і що для будь-якого ланцюга сигнал вважатимуться імпульсним.
Таким чином, електричним імпульсом для цього ланцюга називається напруга або струм, що діють протягом проміжку часу, порівнянного з тривалістю перехідного процесу в цьому ланцюзі. При цьому передбачається, що між двома послідовно діючими ланцюгами імпульсами повинен бути достатній проміжок часу, що перевищує тривалість процесу встановлення. Інакше замість імпульсів виникатимуть сигнали складної форми (рис.1.5).
Рис.1.5. Електричні сигнали складної форми
Наявність проміжків часу повідомляє імпульсного сигналу характерну уривчасту структуру. Деяка умовність таких визначень у тому, що встановлення теоретично триває нескінченно.
Можуть бути такі проміжні випадки, коли перехідні процеси в ланцюгах не встигають практично закінчуватися від імпульсу імпульсу, хоча діючі сигнали продовжують називати імпульсними. У разі виникають додаткові спотворення форми імпульсів, викликані накладанням перехідного процесу початку наступного імпульсу.
Розрізняють два види імпульсів: відеоімпульси і радіоімпульси . Відеоімпульси отримують при комутації (перемиканні) ланцюга постійного струму. Такі імпульси не містять високочастотних коливань і мають постійну складову (середнє значення), відмінну від нуля.
Відеоімпульси прийнято розрізняти за формою. На рис. 1.6. показані найбільш часто зустрічаються відеоімпульси.
Рис. 1.6. Форми відеоімпульсів:
а)прямокутні; б) трапецієподібні; в) гострокінцеві;
г)пилкоподібні; д) трикутні; е) різнополярні.
Розглянемо основні параметри одиночного імпульсу (рис.1.7).
Рис. 1.7. Параметри одиночного імпульсу
Форму імпульсів та властивості окремих його ділянок з кількісної сторони оцінюють такими параметрами:
· U m - Амплітуда (найбільше значення) імпульсу. Амплітуда імпульсу U m (I m) виявляється у вольтах (амперах).
· τ та - тривалість імпульсу. Зазвичай вимірювання тривалості імпульсів або окремих ділянок проводять на певному рівні від їхньої основи. Якщо це не обумовлюється, тривалість імпульсу визначається на нульовому рівні. Однак найчастіше тривалість імпульсу визначається на рівні 0,1U m або 0,5U m , рахуючи від основи. У разі тривалість імпульсу називається активною тривалістю і позначається τ іа . При необхідності та залежно від форми імпульсів прийняті значення рівнів для вимірювання спеціально обумовлюються.
· τ ф - Тривалість фронту, що визначається часом наростання імпульсу від рівня 0,1U m до рівня 0,9U m .
· τ з - Тривалість зрізу (заднього фронту), що визначається часом спаду імпульсу від рівня 0,9U m до рівня 0,1U m . Коли тривалість фронту чи зрізу вимірюється лише на рівні 0,5U m , вона називається активною тривалістю і позначається додаванням індексу «а» аналогічно активної тривалості імпульсу. Зазвичай τ ф і τ з становить одиниці відсотків тривалості імпульсу. Чим менше τ ф і τ з порівняно з τ та тим більше форма імпульсу наближається до прямокутної. Іноді замість τ ф і τ з фронти імпульсу характеризують швидкістю наростання (спаду). Цю величину називають крутістю (S) фронту (зрізу) і виражають у вольтах за секунду (В/с) або кіловольтах на секунду (кВ/с) . Для прямокутного імпульсу
………………………………(1.14).
· Ділянку імпульсу між фронтами називають плоскою вершиною. На рис.1.7 показаний спад плоскої вершини (ΔU) .
· Потужність у імпульсі. Енергія W імпульсу, віднесена до його тривалості, визначає потужність імпульсу:
………………………………(1.15).
Вона виявляється у ватах (Вт) , кіловатах (кВт) або дольних одиниць
цях вата.
В імпульсних пристроях використовуються імпульси, що мають тривалість від часток секунди до наносекунд. (10 - 9 с) .
Характерними ділянками імпульсу (рис.1.8), що визначають його форму,
є:
· Фронт (1 - 2);
· Вершина (2 - 3);
· Зріз (3 - 4), іноді званий заднім фронтом;
· Хвіст (4 - 5).
Рис.1.8. Характерні ділянки імпульсу
Окремі ділянки у імпульсів різної форми можуть бути відсутніми. Слід пам'ятати, що реальні імпульси немає форми, суворо відповідної назві. Розрізняють імпульси позитивної та негативної полярності, а також двосторонні (різнополярні) імпульси
(Рис. 1.6, е).
Радіоімпульсами називаються імпульси високочастотних коливань напруги або струму зазвичай синусоїдальної форми. Радіоімпульси не мають постійної складової. Радіоімпульси отримують модулювання високочастотних синусоїдальних коливань по амплітуді. У цьому амплітудна модуляція проводиться у разі закону управляючого видеоимпульса. Форми відповідних радіоімпульсів, отриманих за допомогою амплітудної модуляції, показано на рис. 1.9:
Рис.1.9. Форми радіоімпульсів
Електричні імпульси, що йдуть один за одним через рівні проміжки часу, називаються періодичною послідовністю (Рис.1.10).
Рис.1.10. Періодична послідовність імпульсів
Періодична послідовність імпульсів характеризується такими параметрами:
· Період повторення Т i - Проміжок часу між початком двох сусідніх однополярних імпульсів. Він виявляється у секундах (с) або дольних одиницях секунди (Мс; мкс; нс). Величина, обернена до періоду повторення, називається частотою повторення (слідування) імпульсів. Вона визначає кількість імпульсів протягом однієї секунди і виражається в герцах (Гц) , кілогерці (кГц) і т.д.
……………………………….. (1.16)
· Свердловість послідовності імпульсів - це відношення періоду повторення до тривалості імпульсу. Позначається буквою q :
………………… (1.17)
Скважність - безрозмірна величина, яка може змінюватися в дуже широких межах, так як тривалість імпульсів може бути в сотні і навіть тисячі разів менша за період імпульсів або, навпаки, займати більшу частину періоду.
Величина, зворотна шпаруватості, називається коефіцієнтом заповнення. Ця величина безрозмірна, менша за одиницю. Вона позначається буквою γ :
…………………………(1.18)
Послідовність імпульсів з q = 2 називається «меандром» . У такої
послідовності 
(Рис.1.6, е). Якщо Т i >> τ і
, то така послідовність називається радіолокаційної.
· Середнє значення (постійна складова) імпульсного коливання. При визначенні середнього періоду значення імпульсного коливання U ср (або І ср) імпульс напруги або струму розподіляють рівномірно на весь період так, щоб площа U ср ·Т i дорівнювала площі імпульсу S і = U m · τ і (Рис. 1.10).
Для імпульсів будь-якої форми середнє значення визначається виразом
……………………(1.19),
де U(t) – аналітичний вираз форми імпульсу.
Для періодичної послідовності імпульсів прямокутної форми, у якої U(t) = U m , період повторення Т i та тривалість імпульсу τ та , цей вираз після підстановки та перетворення набуває вигляду:
…………………….(1.20).
З рис. 1.10 видно, що S і = U m · τ і = U ср ·Т i , Звідки слід:
……………(1.21),
де U 0 - називається постійною складовою.
Таким чином, середнє значення (постійна складова) напруги (струму) послідовності прямокутних імпульсів q разів менше амплітуди імпульсу.
· Середня потужність послідовності імпульсів. Енергія імпульсу W , віднесена до періоду Т i , визначає середню потужність імпульсу
…………………………….. (1.22).
Порівнюючи вирази Р і і Р ср , отримаємо
Р і · τ і = Р ср · Т i ,
звідки слід
…………………(1.23)
і 
……………………. (1.24),
тобто. середня потужність і потужність в імпульсі відрізняються в q разів.
Звідси випливає, що потужність імпульсу, яку забезпечує генератор, може q разів перевершувати середню потужність генератора.
Завдання та вправи
1. Амплітуда імпульсу дорівнює 11 кВ, тривалість імпульсу 1 мкс. Визначити крутість фронту імпульсу, якщо вважати тривалість фронту, що дорівнює 20 % тривалості імпульсу.
2. Амплітуда прямокутних імпульсів, що мають частоту проходження 1250 Гц і шпаруватість 2300, дорівнює 11 кВ. Визначити крутість фронту та зрізу, якщо вважати тривалість фронту та зрізу, що дорівнює 20 % від тривалості імпульсу.
3. Визначити постійну часу ланцюга, що складається з конденсатора ємністю 5000 пФ та активного опору 0,5 Мом.
4. Визначити постійну часу ланцюга, що складається з індуктивності 20 мГн та активного опору 5 кОм.
5. Визначити середню потужність радіопередаючого пристрою РЛС, що має такі параметри: імпульсна потужність 800 кВт; тривалість зондувального імпульсу 32 мкс; частота проходження зондувальних імпульсів 375 Гц.
6. Конденсатор ємністю 400 пФ заряджається від джерела постійної напруги 200 В через опір 0,5 Мом. Визначити напругу на конденсаторі через 600 мкс після початку заряду.
7. До ланцюга, що складається з конденсатора ємністю 10 пФ і опору 2 Мом, підключений джерело постійного струму з напругою 50 В. Визначити струм у момент увімкнення і через 40 мкс після включення.
8. Конденсатор, заряджений до напруги 300, розряджається через опір 300 Мом. Визначити величину розрядного струму через час t = 3τ після початку розряду.
9. Який час для заряду конденсатора ємністю 100 пФ до напруги 340 В, якщо напруга джерела 540 В і опір ланцюга заряду 100 кОм?
10. Ланцюг, що складається з індуктивності 10 мГн та опору 5 кОм, підключений до джерела постійної напруги 250 В. Визначити струм, що протікає в ланцюзі через 4 мкс після включення.
Розділ 2. Формування імпульсів
Лінійні та нелінійні ланцюги
В імпульсній техніці широко застосовуються ланцюги та пристрої, що формують напруги однієї форми з напруги іншої. Такі завдання вирішуються за допомогою лінійних та нелінійних елементів.
Елемент, параметри якого (опір, індуктивність, ємність) не залежать від величини та напрямку струмів і прикладених напруг, називається лінійним. Ланцюги, що містять лінійні елементи, називаються
лінійними.
Властивості лінійних ланцюгів:
· Вольт-амперна характеристика (ВАХ) лінійного ланцюга є прямою лінією, тобто. величини струмів та напруг будуть пов'язані між собою лінійними рівняннями із постійними коефіцієнтами. Приклад ВАХ такого виду – закон Ома: 
.
· Для розрахунку (аналізу) та синтезу лінійних ланцюгів застосуємо принцип суперпозицій (накладання). Сенс принципу суперпозицій полягає в наступному: якщо до входу лінійного ланцюга прикладено синусоїдальну напругу, то напруга на будь-якому її елементі матиме таку саму форму. Якщо ж вхідна напруга є складним сигналом (тобто є сумою гармонік), то будь-якому елементі лінійного ланцюга зберігаються все гармонійні складові цього сигналу: інакше кажучи, зберігається форма прикладеного до входу напруги. При цьому на виході лінійного ланцюга зміниться лише співвідношення амплітуд гармонік.
· Лінійний ланцюг не перетворює спектр електричного сигналу. Вона може змінити складові спектру тільки за амплітудою та фазою. Це є причиною виникнення лінійних спотворень .
· Будь-яка реальна лінійна ланцюг спотворює форму сигналу рахунок перехідних процесів і кінцевої ширини смуги пропускання.
Строго говорячи, всі елементи електричних ланцюгів нелінійні. Однак у певному інтервалі зміни змінних величин нелінійність елементів виявляється настільки мало, що практично можна знехтувати нею. Прикладом може бути підсилювач радіочастоти (УРЧ) радіоприймача, на вхід якого подається дуже малий по амплітуді сигнал від антени.
Нелінійність вхідної характеристики транзистора, що стоїть у першому каскаді УРЧ, у межах кількох мікровольт настільки мала, що її просто не враховують.
Зазвичай область нелінійної поведінки елемента обмежена, а перехід до нелінійності може відбуватися або поступово, або стрибкоподібно.
Якщо на вхід лінійного ланцюга подати складний сигнал, який є сумою гармонік різних частот, а лінійний ланцюг містить частотно-залежний елемент ( L або C ), то форма напруги на її елементах не буде повторювати форму вхідної напруги. Це пояснюється тим, що гармоніки вхідної напруги по-різному пропускаються таким ланцюгом. В результаті проходження вхідного сигналу через ємності та індуктивності ланцюга співвідношення між гармонійними складовими на елементах ланцюга змінюються по амплітуді та фазі по відношенню до вхідного сигналу. В результаті співвідношення між амплітудами та фазами гармонік на вході ланцюга та на його виході не однакові. Ця властивість покладено основою формування імпульсів з допомогою лінійних ланцюгів.
Елемент, параметри якого залежать від величини і полярності прикладених напруг або струмів, що протікають, називається нелінійним , а ланцюг, що містить такі елементи, називають нелінійної .
До нелінійних елементів відносяться електровакуумні прилади (ЕВП), напівпровідникові прилади (ППП), що працюють на нелінійній ділянці ВАХ, діоди (вакуумні та напівпровідникові), а також трансформатори з феромагнетиками.
Властивості нелінійних ланцюгів:
· Струм, що протікає через нелінійний елемент, не пропорційний прикладеному до нього напруги, тобто. залежність між напругою та струмом (ВАХ) має нелінійний характер. Прикладом такої ВАХ служать вхідні та вихідні характеристики ЕВП та ППП.
· Процеси, що протікають у нелінійних ланцюгах, описуються нелінійними рівняннями різного виду, Коефіцієнти яких залежать від самої функції напруги (струму) або від її похідних, а ВАХ нелінійного ланцюга має вигляд кривої або ламаної лінії. Прикладом можуть бути характеристики діодів, тріодів, тиристорів, стабілітронів та ін.
· Для нелінійних ланцюгів принцип суперпозицій не застосовується. При вплив зовнішнього сигналу на нелінійні ланцюга у яких завжди виникають струми, які у своєму складі нові частотні складові, яких був у вхідному сигналі. Це є причиною виникнення
нелінійних спотворень внаслідок чого сигнал на виході нелінійний
ланцюга завжди відрізняється формою від вхідного сигналу.
Диференціюючі ланцюги
Для того, щоб отримати імпульс бажаної формиіз заданої форми напруги за допомогою пасивного електричного ланцюга, необхідно знати формуючі властивості цього ланцюга. Формуючі властивості характеризують здатність лінійного ланцюга певним чином змінювати форму переданого (оброблюваного) сигналу і повністю визначаються видом її частотних ы х характеристик.
В імпульсній техніці для формування сигналів широко застосовуються лінійні дво- і чотириполюсники.
диференціює називається ланцюг, на виході якого напруга пропорційно першою похідною від вхідної напруги. Математично це виражається такою формулою:
………………………. (2.1),
де U вх - Напруга на вході диференціюючого ланцюга;
U вих- Напруга на виході диференціюючого ланцюга;
k - Коефіцієнт пропорційності.
Диференціюючі ланцюги (ДЦ) використовуються для диференціювання відеоімпульсів. При цьому диференціюючі ланцюги дозволяють проводити наступні перетворення:
· Укорочення прямокутних відеоімпульсів і формування з них гострих імпульсів, що служать для запуску та синхронізації різних імпульсних пристроїв;
· Отримання похідних за часом від складних функцій. Це використовується у вимірювальній техніці, системах авторегулювання та автосупроводу;
· Формування прямокутних імпульсів з пилкоподібних.
Найпростішими диференціюючими ланцюгами є ємнісна ( RC ) та індуктивна ( RL ) ланцюга (рис.2.1):
Рис.2.1. Види диференційних ланцюгів:
а)ємнісна ДЦ; б) індуктивна ДЦ
Покажемо, що RC - ланцюг за певних умов стає диференційним.
Відомо, що струм, що протікає через ємність, визначається виразом:
........................................... (2.2).
У той самий час з рис.2.1, аочевидно, що
,
т.к. R і C є дільником напруги. Оскільки напруга
, то.
Вихідна напруга
………………….... (2.3).
Підставивши вираз (2.2) (2.3), отримаємо:
……………… (2.4).
Якщо вибрати досить малу величину R так, щоб виконувалася умова,
то отримаємо наближену рівність
……………………….. (2.5).
Ця рівність тотожна (2.1).
Вибрати R досить малої величини – це означає забезпечити виконання нерівності
де ω в = 2πf в - Верхня гранична частота гармоніки вихідного сигналу, що ще має суттєве значеннядля форми вихідного імпульсу
Коефіцієнт пропорційності у виразі (2.1) k = RC = τ носить назву постійного часу диференціюючого ланцюга. Чим різкіше змінюється напруга, що підводиться, тим меншою величиною τ повинен мати диференційний ланцюг, щоб на виході напруга була близько за формою до похідної від U вх . Параметр τ = RC має розмірність часу. Це можна підтвердити тим, що відповідно до Міжнародної системи одиниць (СІ) одиниця виміру електричного опору
,
а одиниця виміру електричної ємності
.
Отже,
Принцип дії диференціюючого ланцюга.
Принципова схема ємнісного диференціюючого ланцюга зображена на рис.2.2, а епюри напруг – на рис.2.3.
Рис.2.2. Принципова схема ємнісного диференціюючого ланцюга
Нехай на вхід подається ідеальний прямокутний імпульс, у якого
τ ф = τ с = 0, а внутрішній опірджерела сигналу R i = 0 .Нехай імпульс визначається наступним виразом:
- Початковий стан схеми (t< t 1).
У вихідному стані U вх = 0; U з = 0; i з = 0; U вих = 0.
- Перший стрибок напруги (t=t1).
У момент часу t = t 1 на вхід ДЦ подається стрибком напруга
U вх = Е. У цей момент U з = 0 , т.к. за нескінченно мінімальний проміжок часу ємність зарядитися не може. Але, згідно із законом комутації, струм через ємність може наростати миттєво. Отже, в момент t = t 1 струм, що протікає через ємність, дорівнюватиме
Тому напруга на виході ланцюга в цей момент буде рівна
- Заряд конденсатора (t 1< t < t 2).
Після стрибка починається заряд конденсатора струмом, що спадає за експонентним законом:
Рис.2.3. Епюри напруги на елементах диференціюючого ланцюга
Напруга на конденсаторі наростатиме за експонентним
…………………… (2.6).
Напруга на виході ДЦ падатиме в міру наростання напруги
заряду на конденсаторі, т.к. R і C являють собою дільник напруги:
…………. (2.7).
Необхідно пам'ятати, що будь-якої миті часу для дільника напруги виконується рівність
звідки випливає, що
що підтверджує справедливість висловлювання (2.7).
Теоретично заряд конденсатора продовжуватиметься нескінченний час, але практично цей перехідний процес закінчується через
(3…5)τ зар
= (3…5)RC
. 
- Закінчення заряду конденсатора (t = t 2).
Після закінчення перехідного процесу струм заряду конденсатора стає рівним нулю. Тому напруга на виході диференціюючого ланцюга
досягає майже нульового значення, тобто. у момент часу t = t 2
- Режим, що встановився (t 2< t < t 3).
При цьому 
- Другий стрибок напруги (t = t3).
На момент часу t = t 3
напруга на вході диференціюючого ланцюга стрибком падає до нуля. Конденсатор C
стає джерелом напруги, т.к. він заряджений до величини 
.
Так як відповідно до закону комутації напруга на конденсаторі стрибком змінюватися не може, а струм, що протікає через ємність, може змінюватися стрибкоподібно, то в момент t = t 3 напруга на виході стрибком зменшується до – Е . При цьому струм розряду в Наразічасу стає максимальним:
,
а напруга на виході диференціюючого ланцюга
.
Вихідна напруга має знак мінус, т.к. Струм змінив свій напрямок.
- Розряд конденсатора (t 3< t < t 4).
Після другого стрибка напруга на конденсаторі починає зменшуватися за експонентним законом:
; 
; 
- Закінчення розряду конденсатора та відновлення вихідного стану схеми (t≥ t 4).
Після закінчення перехідного процесу розряду конденсатора
Таким чином, схема повернулася у вихідний стан. Закінчення розряду конденсатора настає практично при t = (3...5)τ = (3...5) RC.
Оскільки ми прийняли внутрішній опір джерела сигналу R i = 0, можна вважати, що постійні часу ланцюгів заряду і розряду конденсатора τ зар = τ раз = τ =RC .
У такому ідеальному ланцюзі амплітуда вихідної напруги U вих. m ах не залежить від значення параметрів ланцюга R і C а тривалість імпульсів на виході визначається величиною постійного часу ланцюга τ = RC . Чим менше значення R і C тим швидше закінчуються перехідні процеси заряду і розряду ємності, тим коротше імпульс на виході ланцюга.
Теоретично тривалість імпульсу на виході диференціюючого ланцюга, що визначається з основи, виявляється нескінченно великою, оскільки напруга на виході спадає експоненційно. Тому тривалість імпульсу визначається на певному рівні від основи
U 0 = αU вих (Рис.2.4):
Рис.2.4. Визначення тривалості імпульсу лише на рівні U 0 після
диференціювання
Визначимо тривалість продиференційованого імпульсу на рівні
U 0 = αU вих :
………………. (2.8),
звідки 
і 
……………………… (2.9).
Диференціювання завжди супроводжується укороченням тривалості імпульсу. Це означає, що ємність C повинна встигати повністю зарядитися за час діючого вхідного імпульсу, що диференціюється. Отже, умовою практичного диференціювання з метою укорочення тривалості імпульсу є співвідношення:
τ і вх > 5τ = 5RC.
Чим менше τ ланцюга, тим швидше заряджається і розряджається конденсатор і тим меншу тривалість мають вихідні імпульси, тим більше гострими вони стають і, отже, тим точніше диференціювання. Проте зменшувати τ доцільно до певної межі.
Зміна форми імпульсу на виході диференціюючого ланцюга можна пояснити з погляду спектрального аналізу.
Кожна гармоніка вхідного імпульсу ділиться між R і C . Для гармонік низьких частот, Визначальних вершину вхідного імпульсу, конденсатор представляє великий опір, т.к.
>> R
.
Тому на вихід пласка вершина вхідного імпульсу майже не передається.
Для високочастотних складових вхідного імпульсу, що формують його фронт та зріз,
<< R
.
Тому фронт та зріз вхідного імпульсу на вихід передаються практично без послаблення. Ці міркування дозволяють визначити диференційний ланцюг як фільтр верхніх частот .
Імпульс електричнийкороткочасна зміна електричної напруги чи сили струму. Під коротким розуміється проміжок часу, який можна порівняти з тривалістю перехідних процесів в електричних ланцюгах . І. е. розділяють на високовольтні імпульси, імпульси струму великої сили, відеоімпульси і радіоімпульси. І. е. високої напруги зазвичай виходять при розряді конденсатора на активне навантаження та мають аперіодичну форму. Таку форму мають зазвичай і розряди блискавки. Поодинокі І. е. подібної форми з амплітудою від кількох квдо кількох Мвз фронтом хвилі 0,5-2 мксекта тривалістю 10-10 -2 мксекзастосовують при випробуваннях електричних пристроїв та обладнання у техніці високих напруг. Стрибки струму великої сили за формою можуть бути аналогічні І. е. високої напруги (див. Імпульсна техніка високих напруг).
Відеоімпульсами називаються І. е. струму або напруги (переважно однієї полярності), що мають постійну складову, відмінну від нуля. Розрізняють прямокутні, пилкоподібні, трапецієподібні, експоненційні, дзвоноподібні та ін. Рис. 1 , а-г). Характерними елементами, що визначають форму та кількісні параметри відеоімпульсу ( Рис. 2 ) є амплітуда А, фронт t ф, тривалість t і, спад t с і скіс вершини (D А), що виражається зазвичай у % від А. Періодична послідовність відеоімпульсів характеризується частотою повторення та шпаруватістю (відношенням періоду повторення до тривалості І. е.) . Тривалість відеоімпульсів - від часток сікдо десятих часток нсек (10 -9 сік). Відеоімпульси використовують у телебаченні, обчислювальній техніці, радіолокації, експериментальній фізиці, автоматиці тощо.
Радіоімпульсом називаються переривчасті ВЧ або НВЧ коливання електричного струму або напруги ( Рис. 1 , д), амплітуда та тривалість яких залежать від параметрів модулюючих коливань. Тривалість та амплітуда радіоімпульсів відповідають параметрам модулюючих відеоімпульсів; додатковий параметр - частота, що несе. Радіоімпульси використовують головним чином радіотехніці і техніці зв'язку. Тривалість радіоімпульсів знаходиться в межах від часток сікдо нсек.
Літ.:Іцхокі Я. С., Імпульсні пристрої, М., 1959; Основи імпульсної техніки, М., 1966; Браммер Ю. А., Пащук І. Н., Імпульсна техніка, 2 видавництва, М., 1968.
Велика Радянська Енциклопедія М.: "Радянська енциклопедія", 1969-1978
Типовим прикладом імпульсів прямокутної форми є первинні телеграфні сигнали і сигнали передачі даних, звані також імпульсами постійного струму. Вони мають вигляд послідовностей двох або однополярних прямокутних імпульсів (рис. 6.1, а).
Знайдемо спектр періодичної послідовності однополярних імпульсів із періодом та амплітудою UQ. Така послідовність може бути представлена у вигляді ряду Фур'є:
де - кругова частота повторення або перша гармоніка (спектральна складова) сигналу
Рис. 6.1 Послідовність імпульсів (а) та її спектр (б)
Коефіцієнти визначають так званий спектр амплітуд, а спектр фаз. При цьому
де – шпаруватість імпульсної послідовності. Постійна складова або середнє значення сигналу за період Спектр амплітуд випадку представлений на рис.
Спектр періодичної послідовності однополярних імпульсів містить крім постійної складової складові з частотами і т. д. Різниця між цими спектральними складовими (Зі зростанням Т зменшується, при цьому самі складові також зменшуються по амплітуді. При сигнал стає неперіодичним, а спектр - безперервним. Замість поняття Спектральна густина визначається як відношення «амплітуди спектральної складової» до нескінченно малої смуги частот і обчислюється через інтеграл Фур'є :
де – спектральна щільність амплітуд; - Спектр фаз.
Знаючи можна знайти, використовуючи зворотне перетворення Фур'є:
Спектральна щільність амплітуд одиночного прямокутного імпульсу з точністю до множника зображена штриховою лінією на рис.
Спектр періодичної послідовності імпульсів та одиночного імпульсу містить складові з частотою від 0 до нескінченності, тобто є нескінченним. Якщо послідовність прямокутних імпульсів передається каналом зв'язку, який завжди пропускає лише обмежений спектр, то форма сигналу на виході каналу змінюється. Форму сигналу можна визначити, використовуючи зворотне перетворення Фур'є (6.6).
Насправді під шириною спектра сигналу зазвичай розуміють ту область частот, у якій зосереджена основна енергія сигналу. У цьому вводиться поняття ефективної ширини спектра сигналу. На рис. - це діапазон частот від 0 до якого зосереджено близько 90% енергії сигналу. Значить, що менше тривалість імпульсу (вище швидкість телеграфування ), то ширше спектр. Зокрема, нескінченно короткий імпульс має нескінченно протяжний спектр із рівномірною щільністю. Таким чином, передача з більш високою швидкістю вимагає каналів з більшою смугою пропускання.
При заданій тривалості одиничного елемента на спектр переданого сигналу впливають два фактори. Один із них - форма імпульсу, яку слід ретельно вибирати для отримання хорошого (компактного) спектра сигналу. Інший фактор - характер переданої цифрової послідовності, тобто спектр залежить від статистичних характеристик послідовності, що передається, і її перекодуванням спектр можна змінити.
Для оцінки спотворень імпульсів постійного струму, спричинених обмеженням спектра, розглянемо проходження імпульсу через ідеальний фільтр нижніх частот (ФНЧ). Як вхідний вплив скористаємося ступінчастою функцією
представленої графічно на рис. 6.2. Вибір такого вхідного впливу обумовлений тим, що, по-перше, його використання спрощує математичні викладки, по-друге, одиночний прямокутний імпульс кінцевої тривалості можна як послідовність двох одиничних стрибків напруги протилежного знака, зрушених у часі на величину, рівну тривалості імпульсу. 6.3).
Рис. 6.2 Ступінчаста функція
Рис. 6.3. Подання одиночного імпульсу
Рис. 6.4. Характеристика ідеального ФНЧ
І, нарешті, знаючи характеристику процесу, що встановлюється при впливі одиничного стрибка, за допомогою теореми згортання можна знайти встановлюється процес для довільної форми впливу .
Нехай на вхід ідеального ФНЧ із частотою зрізу амплітудно- та фазочастотної характеристики якого мають вигляд (рис. 6.4):
де - груповий час проходження фільтра, в момент подається сигнал (6.7), який може бути представлений у вигляді
Для отримання сигналу на виході ФНЧ помножимо всі компоненти вхідного сигналу на модуль коефіцієнта передачі фільтра і віднімемо з аргументу синуса зсув фаз кожної з частот:
Підставивши в (6.9) значення коефіцієнта передачі (6.8), отримаємо
ІМПУЛЬС ЕЛЕКТРИЧНИЙ, короткочасна стрибкоподібна зміна електричної напруги або сили струму. Імпульс електричного струму або напруги (переважно однієї полярності), що мають постійну складову та не містять ВЧ-коливань, називаються відеоімпульсами. За характером зміни в часі розрізняють відеоімпульси прямокутної, пилкоподібної, трапецеїдальної, дзвоноподібної, експоненційної та іншої форми (рис. 1, а-г). Реальний відеоімпульс може мати досить складну форму (рис. 2), яка характеризується амплітудою А, тривалістю τ І (відраховується на заздалегідь обумовленому рівні, наприклад 0,1 А або 0,5 А), тривалістю фронту τ Ф та спаду τ С (відраховуються між рівнями 0,1 А та 0,9 А), скосом вершини ΔА (виражається у відсотках від А). Найбільш широко використовуються прямокутні відеоімпульси, на основі яких формуються синхронізуючі, керуючі та інформаційні сигнали в обчислювальній техніці, радіолокації, телебаченні, цифрових системах передачі та обробки інформації та ін. , а також при формуванні складних радіолокаційних сигналів із внутрішньоімпульсною частотною модуляцією. Тривалість відеоімпульсів становить від часток секунди до десятих часток наносекунди.
Крім одиночних і нерегулярно наступних у часі електричних потоків імпульсів на практиці використовують періодичні послідовності, які додатково характеризують періодом Т або частотою повторення f = Т -1 . Важливим параметром періодичної послідовності електричних імпульсів є шпаруватість (ставлення періоду повторення імпульсів до їх тривалості). По частотному розподілу імпульси електричні характеризуються спектром, який виходить в результаті розкладання тимчасової функції, що виражає імпульс електричний ряд Фур'є (для періодичної послідовності однакових імпульсів) або інтеграл Фур'є (для одиночних імпульсів).
Імпульси електричні, що являють собою обмежені в часі (переривчасті) ВЧ- або НВЧ-коливання, що обгинає має форму відеоімпульсу (рис. 1, д), називаються радіоімпульсами. Тривалість та амплітуда радіоімпульсів відповідають параметрам модулюючих відеоімпульсів; Додатковим параметром є частота, що несе. Радіоімпульси використовують головним чином у пристроях радіотехніки та техніки зв'язку; їх тривалість знаходиться в межах від часток секунди до декількох наносекунд.
Літ.: Єрофєєв Ю. Н. Імпульсні пристрої. 3-тє вид. М., 1989; Браммер Ю. А., Пащук І. Н. Імпульсна техніка. М., 2005.