Энергию прямоугольного импульса рассчитывают просто: мощность умножают на длительность. Но понять, выдержит ли его аттенюатор, по одному этому числу нельзя. Нужно проверить весь режим: пиковую мощность, длительность, частоту повторения и среднюю нагрузку. Если в паспорте отдельно задан предел энергии, его тоже учитывают.
Например, запись «500 Вт при длительности 10 мкс и коэффициенте заполнения 1%» описывает определённые условия работы. Из неё нельзя автоматически сделать вывод, что устройство выдержит вдвое большую мощность при вдвое меньшей длительности. Разберём, как читать такие ограничения и сопоставлять их со своим сигналом.
Какие параметры импульса нужны для расчёта
Сначала определите мощность на входе аттенюатора, форму импульса, его длительность и период повторения. Для периодического сигнала частота повторения равна единице, делённой на период. Период считают от начала одного импульса до начала следующего, а не по длительности паузы между ними.
Для прямоугольных импульсов, между которыми мощность равна нулю:
Энергия одного импульса: Э = Римп × τ.
Коэффициент заполнения: D = τ / Т = τ × f.
Средняя мощность: Рср = Э × f = Римп × D.
Здесь Римп — мощность во время импульса, τ — его длительность, Т — период, f — частота повторения. Для импульсной радиочастотной посылки Римп означает мощность, усреднённую по колебаниям несущей внутри посылки. Её не следует путать с мгновенным максимумом мощности синусоиды.
В расчёте длительность переводят в секунды, частоту — в герцы. Энергия получится в джоулях. Удобное соотношение: 1 Вт × 1 мкс = 1 мкДж.
Простой пример расчёта
На вход поступают прямоугольные импульсы мощностью 400 Вт, длительностью 10 мкс и частотой повторения 500 Гц. Энергия одного импульса равна 400 × 10 × 10⁻⁶ = 0,004 Дж, или 4 мДж. Коэффициент заполнения составляет 0,005, или 0,5%, а средняя мощность — 2 Вт.
Частота повторения не меняет энергию отдельного одинакового импульса, но меняет нагрев при длительной работе. Если увеличить частоту в четыре раза, средняя мощность вырастет до 8 Вт, а коэффициент заполнения — до 2%.
Как читать паспортные импульсные ограничения
В документации могут быть указаны максимальная пиковая и средняя входная мощность, допустимая длительность, коэффициент заполнения, частота повторения, энергия одиночного импульса или график допустимой мощности в зависимости от длительности. Проверять нужно все ограничения, относящиеся к выбранному режиму и исполнению устройства.
Обязательно прочитайте примечания: при какой температуре получены значения, нужен ли радиатор, какое направление передачи допускается и как должна быть согласована нагрузка. Импульсная характеристика одной модели или одного исполнения не распространяется на всю серию.
Что можно узнать из произведения мощности на длительность
Если паспортный режим задан как 500 Вт и 10 мкс, энергия прямоугольного импульса в этой точке составляет 5 мДж. Это полезная расчётная величина, но сама по себе она не становится универсальным пределом энергии для любых импульсов.
Импульс 1000 Вт длительностью 5 мкс имеет те же 5 мДж, однако может превысить допустимые напряжение и пиковую мощность. Импульс 250 Вт длительностью 20 мкс тоже несёт 5 мДж, но его длительность выходит за условия приведённого паспортного режима. Утверждать допустимость такой замены можно только по соответствующей характеристике или подтверждению изготовителя.
Если задан график мощности от длительности, найдите допустимую мощность для своей длительности и условий повторения. Затем рассчитайте соответствующую энергию. Нельзя продлевать график за указанный диапазон или считать произведение мощности на длительность постоянным, если этого не устанавливает документация.
Как связаны частота повторения и коэффициент заполнения
Для фиксированной длительности ограничение по заполнению позволяет вычислить частоту: f ≤ Dдоп / τ. Например, при заполнении не более 1% и длительности 10 мкс получается не более 1000 Гц.
Отдельно проверяют среднюю мощность: f ≤ Рср доп / Э. Если документация прямо ограничивает частоту повторения, этот предел также обязателен. Из нескольких ограничений выбирают самое строгое, но только внутри подтверждённого диапазона длительности и пиковой мощности.
Скважность и коэффициент заполнения — обратные величины. Заполнению 1% соответствует скважность 100, а не 1. Подмена этих величин приводит к ошибке в расчёте средней мощности.
Проверка режима на численном примере
Возьмём условный паспорт: пиковая входная мощность не более 500 Вт при прямоугольных импульсах длительностью до 10 мкс, заполнение не более 1%, средняя входная мощность не более 10 Вт. Предположим, что температура, охлаждение, частота сигнала и нагрузка соответствуют паспортным условиям. Это учебные исходные данные.
| Режим | Энергия | Заполнение | Средняя мощность |
Результат |
|---|---|---|---|---|
| 400 Вт 10 мкс 500 Гц |
4 мДж | 0,5% | 2 Вт | Укладывается в заданные пределы |
| 800 Вт 5 мкс 500 Гц |
4 мДж | 0,25% | 2 Вт | Превышена пиковая мощность |
| 200 Вт 20 мкс 500 Гц |
4 мДж | 1% | 2 Вт | Превышена допустимая длительность |
| 400 Вт 10 мкс 2000 Гц |
4 мДж | 2% | 8 Вт | Превышено заполнение |
Во всех строках энергия одинакова. Тем не менее три режима не проходят проверку. В последней строке средняя мощность даже ниже предела 10 Вт, но это не отменяет ограничения по заполнению.
Входная и поглощённая энергия
Часть энергии проходит к нагрузке, остальное выделяется в аттенюаторе. Для согласованного тракта с практически постоянным ослаблением А в полосе импульса:
Эвых = Эвх × 10−А/10.
Эпогл = Эвх × (1 − 10−А/10).
При ослаблении 10 дБ и входной энергии 4 мДж нагрузка получит около 0,4 мДж, а в аттенюаторе выделится 3,6 мДж. При 500 Гц это соответствует примерно 1,8 Вт рассеиваемой мощности.
Сравнивать расчёт с паспортом нужно в одинаковых величинах. Если задана допустимая входная мощность или энергия, проверяют входные значения. Уменьшать их на долю прошедшего сигнала и так обходить входное ограничение нельзя. Предел рассеиваемой энергии применяют только тогда, когда он прямо задан изготовителем.
Если форма импульса отличается от прямоугольной
Для произвольной формы энергию находят по площади под графиком мощности: Э = ∫ Р(t) dt. В согласованной активной нагрузке мощность можно определить через напряжение на этой нагрузке: Р(t) = u2(t) / R. Амплитуду источника на холостом ходу подставлять вместо напряжения на входе аттенюатора нельзя.
Важно различать форму напряжения и форму мощности. Для треугольного импульса мощности энергия равна половине произведения максимальной мощности на длительность основания. Для треугольного импульса напряжения на активной нагрузке — одной трети такого произведения. Причина в том, что мощность пропорциональна квадрату напряжения.
Выброс на фронте тоже входит в расчёт. Он может мало изменить общую энергию, но превысить ограничение по пиковому напряжению или мощности. Поэтому проверяют и интеграл энергии, и наибольшее значение сигнала.
Одиночные импульсы и серии
Для одиночного импульса средней мощности за длительную паузу недостаточно: такая оценка может дать почти нулевое число при недопустимом пиковом воздействии. Нужна паспортная характеристика одиночной нагрузки либо подтверждённые условия импульсного режима.
Для серии из N одинаковых импульсов суммарная входная энергия равна N × Э. Если в серии 100 импульсов по 4 мДж, это 0,4 Дж. Но знание суммарной энергии не заменяет проверку частоты внутри серии и времени охлаждения между сериями.
Например, редкое повторение серий не делает допустимым режим с превышенным заполнением внутри каждой серии. Возможность таких режимов оценивают по паспортным ограничениям на серии или по тепловым характеристикам, если изготовитель разрешает такой расчёт.
В каком порядке проверять аттенюатор
- Определите наибольшие мощность и напряжение на входе, форму и длительность импульса, частоту внутри серии и порядок повторения серий.
- Рассчитайте энергию одного импульса, коэффициент заполнения и среднюю входную мощность. При наличии фонового сигнала учтите и его вклад.
- Сопоставьте расчёт с паспортными пределами энергии, пиковой мощности, длительности, заполнения и частоты повторения. Проверьте температуру, охлаждение и направление включения.
- Отдельно проверьте допустимое напряжение, соединители и нагрузку на выходе. Учтите разброс источника, выбросы и погрешность определения длительности.
Если энергия отдельно не указана, но ваш режим полностью охвачен паспортными импульсными ограничениями, отдельное число в джоулях не обязательно. Если режим выходит за эти условия, одного расчёта Э = Р × τ для подтверждения допустимости недостаточно.
