1,2– лаборатория ишлари. Тўғрилагичлар ва текисловчи фильтрлар

4– лаборатория иши. Импульс кучланиш стабилизаторлари (ИКС) Компенсацион кучданиш стабилизаторларининг муҳим камчиликлари – улардаги бошқарувчи элемент транзистоларидаги йўқотишлар ҳисобигажуда ФИКнинг кичиклигидир. Бундан ташқари улар стабилизаторларнинг масса ва габаритлари бўйича ўзларидан ҳам анча катта радиаторлар талаб қилади. Ҳозирги пайтда уларнинг ўринларини истиқболли ҳисобланган импульс кучланиш стабилизаторлари (ИКС) эгалламоқда. ИКСларда бошқарилувчи элемент такибидаги транзисторлар калит (ключ) режимида ишлайди. ИКСларда юқори частотали транзисторларнинг қўлланилиши стабилизаторлардаги ФИК ва масса–габарит муаммоларини ечишни тубдан яхши томонга ўзгартирди.
ИКС ларнинг учта асосий схемалари мавжуд: пасайтирувчи кетма–кет ИКС (19– расм), оширувчи параллел ИКС (20- расм) ва инвертирловчи параллел (ИКС) (21- расм). Уччала схема ҳам жамловчи дроссель L, бошқарувчи элемент 1, блокировка қилувчи диод VD, бошқариш элементлари 2, 3 ва фильтр конденсатори С лардан ташкил топади.

19– расм. Пасайтирувчи кетма–кет ИКС структур схемаси.

20- расм. Оширувчи параллел ИКС структур схемаси..

21- расм. Инвертирловчи параллел ИКС структур схемаси.
Пасайтирувчи кетма–кет ИКС 19- расмда келтирилган структур схема асосида йиғилади. Бу схемада регулировка қилувчи қилувчи элемент 1, дроссель L юклама Rn билан кетма– кет уланган. Регулировка қилувчи элемент сифатида калит ( ключ) режимида ишловчи транзистор қўлланилади. Ти вақт давомида очиқ ҳолатда бўлган транзистор орқали энергия ўзгармас ток манбаи Ui дан (ёки чиқиш кучланиши Uo бўлган тўғрилагичдан) дроссель L орқали юкламага узатилади ( бу вақтда дросселда энергия жамғарилади). Тп вақт давомида транзистор ёпиқ ҳолатда бўлади ва дросселда жамғарилган энергия VD диод орқали юкламага узатилади. Коммутация (ўзгартириш) вақти Т=Ти+Тп.га тенг Коммутация частотаси F=1/T бўлади. Транзисторнинг очиқ ҳолатдаги давомлилиги Ти нинг тўлиқ коммутация вақти Т га нисбати тўлдириш коэффициенти Ттўл дейилади: Ттўл=Ти/Т. Шундай қилиб, ИКСда бошқарувчи элемент 1 кириш ўзгармас кучланишини маълум давомлилик ва частотага эга импульслар кетма-кетлигига айлантиради ( модуллаштиради), диод VD, дроссель L ва конденсатор С дан иборат текисловчи фильтр бу кетма–кетлткни демодуляция қилади ва Uo ўзгармас кучланишга айлантиради. Ўзгармас кучланиш Uo ёки юклама Rn даги ток ўзгарган пайтида ўлчов элементи 3, бошқарув схемаси 2 лардан ташкил топган тескари алоқа занжири таъсири натижасида импульслар давомлилиги шундай ўзгарадики, маълум бир аниқликда чиқиш кучланиши доимий қолади.
Ишнинг импульс режими бошқарувчи элементдаги йўқотишларни кескин камайтиради, натижада ИКС нинг ФИК кескин ошади, ИКС нинг массаси ва габаритлари (ўлчамлари) камаяди. ИКСларнинг компенсацион стабилизаторлардан асосий афзаллиги шундадир.
Оширувчи параллел ИКС 20– расмда келтирилган структур схема асосида қурилади. Бу схемада регулировка қилувчи қилувчи элемент 1 юклама Rn билан паралелл уланган. Регулировка қилувчи транзистор очиқ пайтида энергия ўзгармас ток манбаи Ui дан дроссель L орқали юкламага узатилади ( бу вақтда дросселда энергия жамғарилади). Бу вақтда VD диод ёпиқ ҳолатда бўлади ва у конденсаторнинг очиқ ҳолатдаги регулировка қилувчи транзистор орқали разрядланишига йўл қўймайди. Юкламага ток шу вақт давомида С конденсатор орқали узатилади. Регулировка қилувчи транзистор ёпилган пайтида L дросселдаги ўзиндукция ЭЮКи кириш кучланиши билан қўшилади ва дросселнинг энергияси юкламага узатилади, ва чиқиш кучланишининг қиймати кириш кучланиши Ui нинг қийматидан катта бўлади (оширувчи ИКС). 19– расмдаги схемадан фарқли ўлароқ, 20– расмдаги схемадаги дроссель фильтрнинг элементи бўлмайди, чиқиш кучланиши эса дроссель индуктивлиги билан аниқланувчи катталиккага қадар ва транзистор очиқ ҳолатининг катталигига (бошқарувчи импульсларнинг давомлилигига – скважностга) боғлиқ равишда катта бўлади. 20– расмдаги стабилизаторни бошқариш схемаси қуйидагича ишлайди: агар кириш кучланиши ошадиган бўлса, регулировка қилувчи транзисторнинг очиқ ҳолати давомийлиги шундай катталикка камаядики, чиқиш кучланишининг қиймати яна аввалги ҳолатга келиб қолади (яъни стабилизация ҳолати кузатилади).
Импульсли параллел инвертирловчи стабилизатор 21– расмда келтирилган структур схема асосида қурилади. 20– расмдгаги схемадан унинг фарқи шундаки, унда L дроссель юкламага параллел, регулировка қилувчи элемент 1 эса юкламага кетма– кет уланган. Блокировка қилувчи диод фильтр конденсатори С ва юкламани ўзгармас ток бўйича бир–биридан ажратиб туради. Бу турдаги стабилизаторлар чиқиш кучланишининг қутби кириш кучланиши қутбига нисбатан тескарилиги билан ажралиб туради (кучланиш қутби инвертирланади).
ИКСлар регулировка қилувчи элементнинг бошқарилиш усулига қараб қуйидаги турларнга бўлинади: кенглик–импульс модуляцияси билан ( широтно–импульсная модуляция – ШИМ – биз кейинги матнларда ШИМ сўзини ишлатамиз), частота–импульс модуляцияси (ЧИМ) билан ва ниҳоят релелар билан бошқариладиган схемалар.
ШИМ ИКСларида иш давомида импульснинг давомлилиги Ти ўзгариб туради, коммутация частотаси эса ўзгармайди; ЧИМ – стабилизаторларда коммутация частотаси ўзгариб туради, импульснинг давомлилиги Ти эса ўзгармайди; релейли стабилизаторларда эса бошқариш жараёнида импульснинг давомлилиги Ти ҳам, коммутация частотаси ҳам ўзгариб туради.
19– расмдаги ИКСнинг асосий элементлари билан танишиб чиқамиз. Бунинг учун 22– расмда келтирилган схемани кўриб чиқамиз. Бу блок ўз ичига VT1 транзисторда йиғилган регулировка қилувчи элемент ва бу элементни бошқариб турадиган калит (ключ) VT2лардан ташкил топган (VD2 диод VT2 транзистор база ўтишини катта бошқарувчи манфий қутбли кучланиш таъсиридан сақлайди). R1 қаршилик катталиги VT1 транзисторнинг аниқ ёпилиши шартидан келиб чиққан ҳолда танланади ( 100.....900 Ом), R2 қаршилик эсатахминан қуйидаги шарт асосида танланади:
22– расм. Кетма–кет ИКС блокининг схемаси.
kbUi=R2 Ikmax , бу ерда k=l,5...2 — тўйиниш бўйича заҳира коэффициенти; b, Ikmax — VT1 транзисторнинг ток бўйича кучайтириш коэффициенти ва VT1 транзисторнинг максимал импульс коллектор токи. Худди шу тартибда резистор R3 нинг катталиги аниқланади, фақат ҳисоблашларда Ui кучланиш ўрнига функционал генератор бошқарувчи импульси амплитуда қиймати олинади.
22– расмдаги схема параметрларини танлаш учун қуйидаги параметрлар ишлатилади:
Ui кучланиш ва унинг ўзгариш соҳалари; Ui манба ички Ri қаршилиги; стабилизатор чиқиш кучланиши номинал қиймати Uo ва унинг мумкин бўлган ўзгариш соҳалари; максимал Inmax ва минимал Imin юклама токлари, стабилизатор чиқиш кучланиши пульсациясининг максимал қиймати; стабилизация коэффициенти Кn ва ички қаршилик; Uo кучланишнинг температура натижасида максимал ўзгариши и др.
Параметрларни танлаш тартиби қуйидагича бўлади:
1. Ўзгартириш частотаси F ни танлаймиз (100 кГц гача, бизнинг модел учун — бир неча килогерц) ва ФИК ни тахминан оламиз ФИК=0,85...0,95.
2. Фильтр киришидаги максимал ва минимал кучланиш импульси давомлилигини (тўлдириш коэффициентини) аниқлаймиз

3. Дроссель токларининг узлуксизлигини сақлаш режими шартидан минимал индуктивлик қийматини топамиз
4. LC кўпайтма катталигини кучланиш пульсациясининг берилган қиймати орқали топамиз :
бу ердан конденсатора С нинг қийматини ҳисоблаймиз.
LC кўпайтма нафақат пульсациялар даражасини, балки стабилизатор ёқилганидан кейин чиқиш кучланиши билан боғлиқ ўтиш жараёнларини ҳам характерлайди.
23– расмда юқоридаги схемани моделлаштири натижалари келтирилган. Берилган бошланғич маълумотлар қуйидагича: F=1 кГц, К,=0,5, Rn=100 Ом, L=200 мГн, С=100 мкФ (23–расм, а) ва С=1 мкФ (23– расм,б). Расмлардан кўриниб турибдики, кўрилаётган схема характеристикаси LC кўпайтманинг нисбатан катта қийматларида тебранишлар характерига эга, бу ўз навбатида чиқиш кучланишининг сакраб ўзгаришларига олиб келади, бу ҳолат истеъмолчилар учун мақсадга мувофиқ бўлмайди.
23– расм. ИКС чиқиш кучланишларининг осциллограммалари: С=100 мкф (а) и 1 мкф (б) ҳоллар учун..
ИКСнинг кейинги функционал тугуни – бошқариш схемаси ва ўлчов элементларини кўриб чиқишга ўтамиз. Бунинг учун ИКС модуляторлари характеристикаларини ўрганиш мақсадга мувофиқ бўлади.
ШИМли импульс стабилизаторлари бошқа икки ИКС ларига қараганда қуйидаги афзалликларга эга:

• 
  кириш кучланишининг ва юклама токининг қийматларига боғлиқ бўлмаган ҳолда нисбатан юқори ФИК ва оптимал ўзгартгич частотаси таъминланади; юкламадаги кучланиш пульсацияси частотаси ўзгармайди, бу ўз навбатида қатор истеъмолчилар учун аҳамиятли ҳисобланади;
  
• 
  ИКСларнинг сони чексиз кўп бўлган пайтда уларни бир вақтнинг ўзида синхронизация қилиш имконияти мавжуд бўлади, бу ўз навбатида частоталарнинг тепиб туришининг (биение) олдини олади. Бундан ташқари, агар ИКС бошқарилмайдиган ўзгартгичга( масалан, қувват кучайтиригича) ишласа уларнинг иккаловларининг частотасини синхронизация қилиш имконияти мавжуд бўлади.
  

ШИМли ИКСларининг релейли ИКСлардан камчилиги улар бошқариш схемаларининг мураккаблигидир ( яъни қўшимча юкловчи генератор ишлатилади).
ЧИМли ИКСлар бошқа ИКСлардан афзалликлари бўлмаган ҳолда қуйидаги камчиликларга эга:
- кенг кўламларда кириш кучланиши ва юклама токининг қийматларининг ўзгаришида частота ростлаш қурилмалари (регуляторлар)ни ишлаб чиқиш мураккаблиги;
- ШИМли ИКСларда кўрсатилган афзалликларни амалга ошириб бўлмаслиги.
Охирги камчилик релейли схемаларга ҳам таалуқлидир. Ундан ташқари реле схемаларида юклама кучланишининг катта пульсациялари кузатилади ( ШИМ ва ЧИМли ИКСларда чиқиш кучланишининг пульсацияларини максимал кичик қийматларгача камайтириш мумкин, реле схемаларида бунинг иложи бўлмайди).
Умумий ҳолатда 3 бошқарув блоги (24- расм) қуйидаги қисмлардан иборат бўлади: кучланиш бўлгич, таянч кучланиши манбаи, таққословчи элемент ва кучланишлар фарқини кучайтиргич. Бу элементларнинг вазифаси худди компенсацион стабилизаторлардаги каби бўлади. ШИМли ИКСларда яна қўшимча синхронизация қилувчи шакллантиргич (юкловчи генератор) ва остонали қурилма ( пороговое устройство) лар қўшилади. Улар ёрдамида давомлилик бўйича модуллаштирилган импульслар шакллантирилади. Бошқарувчи бу импульсларнинг узнлигини ўзгартириш уларнинг олд ёки орқа фронтлари бўйича амалга оширилади.

24- расм. ШИМли ИКСнинг схемаси
Олд фронт модуляциясида синхронизация қилувчи чизиқли ўзгарувчи кучланиш ҳар бир даврдан кейин ошиб боради, орқа фронт модуляциясида бошқарувчи кучланиш ҳар бир даврдан кейин камайиб боради. Иккала фронт бўйича модуляцияси вақтида бошқарувчи кучланиш аввал ошади ва кейин камаяди. Бу турдаги фронтлар модуляцияси бир тарафлама модуляцияга нисбатан тезкор ИКСларни ишлаб чиқишга ёрдам беради, чунки бошқарув кучланишининг оний қиймати фронтларни шакллантиришда муҳим ўрин тутади.
Бошқарув схемаси узатиш коэффициенти текисловчи фильтр киришида ва чиқиш юклама кучланиши импульслари орасидаги (ШИМ учун) нисбий ўзгаришларни кўрсатади ва у қуйидаги ифодага тенг:

Кдн ва Ку коэффициентлар мос равишда кучланиш бўлгич ва фарқлар кучайтиргичлари кучайтириш; Uy —синхронизация қилувчи кучланиш амплитудаси.
ШИМли ИКСнинг тўлиқ схемаси 24– расмда келтирилган. Кучланиш бўлгич R3, R4 қаршиликларда бажарилган, таянч кучланиш манбаи резистор R5 ва стабилитрон VD2 ларда йиғилган, фарқлар сигналларини кучайтиргич OU1 да, остона қурилмаси OU2 операцион кучйтиргичларда бажарилган. Иккала операцион кучайтиргичлар бир қутбли манбадан таъмилангани сабабли VT2 калитли каскадда сатҳларни мувофиқлаштириш учун эмиттер занжирига параметрик стабилизатор (VD3, R8) уланган. Ўрнатувчи (задаюший) функционал генератор сифатида учбурчакли имрульслар генератори ишлатилган; олд фронт модуляцияси режимида тўлдириш коэффициенти (Duty cycle) максимал қилиб олиган (99%), орқа фронт модуляцияси режимида у минимал (0,1%) қилиб олинган , иккала фронтлар бўйича модуляция пайтида у 50% қилиб олинади.
25- расмда бошқариш сигналлари (А) ва ШИМ сигналлари (Б) келтирилган.На рис. 12.21 показан результат моделирования процесса формирования управляющих импульсов при модуляции по переднему фронту.

25- расм. Бошқариш сигналлари (А) ва ШИМ сигналлари (Б) .
25- расмда келтирилган натижалар Rn=100 Ом и Ui = 20 В қийматлар учун олинган. Бу расмдан кўриниб турибдики, истеъмол манбаси уланган замоноқ максимал давомлилик бошқариш импульслари шакллантирилади, кейин чиқиш кучланишининг мусбат сакраши натижасида давомли пауза (сукунлик) кузатилади, кейин эса яна чиқиш кучланишининг манфий сакраши натижасида мажбурий режим ўрнатилади. Бошқариш импульсининг ўрнатилган ҳолати функционал генератор бошкарувчи сигналининг бир неча давридан кейин ўрнатилади.
Лаборатория иши учун контрол топшириқлар.
1. 22– расмдаги схема учун Uo=f(K,) боғлиқликни F=1 кГц, Uy=3 В учуе олинг (бир қутбли бошқарувчи сигналлар функционал генераторда доимий ташкил этувчини Offset=3 В ўрнатиш билан амалга оширилади тўлдириш коэффициенти Кни Duty cycle параметри билан ўрнатилади), Ui=30 В, Rn=100 Ом, L=100 мГн, С=100 мкФ.
2. 22– расмдаги схема учун ўтиш жараёни сигналлари шаклини дросселга кетма–кет актив қаршилик Rd улаш билан амалга оширинг – 0,1... 10 Ом.
3. 24– расм учун модуляция жараёнини кузатинг. Ва ўрнатилган режим ҳолатини аниқланг.