Теоретические основы ремонта различных видов радиоэлектронной техники
рабочая программа

Краткие теоретические сведения

1. Цифровые логические схемы

Задача обнаружения неисправностей в логических схемах состоит в том, чтобы определить, обладает ли данная логическая схема требуемым поведени- ем. Для решения этой задачи необходимо прежде всего установить модель ло- гической схемы как объекта контроля, затем выбрать метод обнаружения неис- правностей и, наконец, модель неисправностей. С точки зрения особенностей поведения логические схемы можно разделить на комбинационные и последо- вательностные.

Комбинационная схема характеризуется тем, что состояние ее выходов в любой момент времени полностью определяется состоянием входов в тот же момент времени, а структура характеризуется отсутствием контуров обратной связи (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная модель комбинационной схемы Выходные сигналы комбинационной схемы z1, …, zm можно описать буле-

выми функциями a1, …, am от её входных сигналов x1, …, xn:

Z1 = a1(x1, …, xn);

Z1 = a2(x1, …, xn); Zm = am(x1, …, xn)

или более компактно: Z = A(X).

Последовательностная схема характеризуется наличием внутренних со- стояний, а ее структура – наличием внутренних контуров обратной связи (рис. 1.2), поэтому обнаружить неисправности в них, как правило, чрезвычайно трудно.

x1        Z1

x2        Zm

Рис. 1.2. Функциональная модель последовательностной схемы

Цифровая схема считается последовательностной, если ее выходные вели- чины в данный момент времени зависят не только от сигналов, поданных на входы, но также и от сигналов, подававшихся на эти входы ранее. К последова- тельностным схемам относятся дискретные устройства с памятью. Выходной сигнал Z, снимаемый с выходов дискретного устройства с памятью в момент времени t, зависит не только от входного сигнала X, поданного в это время, но и от внутреннего состояния S, в котором находится последовательностноe уст- ройство в момент времени t:

Z = A(X, s).

2. Модели комбинационных устройств

Математической моделью комбинационных устройств является булева функция, которая может быть задана таблицей истинности или таблицей «вы- рожденных покрытий».

Таблица истинности задаётся набором n переменных, где n – количество входов комбинационной схемы. Максимальное число входных наборов, на ко- торых определяются булевы функции для таблицы истинности, равно 2n. По- этому она включает в себя 2n строк и (n+1) столбцов. Причем n столбцов отве- дены для входных наборов, а в (n+1)-м столбце записывается значение булевой функции для соответствующих входных наборов.

Булева функция для комбинационного логического элемента 2ИЛИ-НЕ имеет вид Z = X1+X2, а его таблица истинности представляется как

Данную таблицу истинности можно представить в виде так называемого вырожденного покрытия. Входные переменные обычной таблицы истинности принимают значение 0 или 1, а входные переменные в вырожденном покрытии могут принимать, кроме того, неопределённое значение х. Обычно строку вы- рожденного покрытия булевой функции называют кубом. Если значение вход- ной переменной Хi равно х в некотором входном наборе, то это свидетельствует о том, что значение булевой функции в этом наборе не зависит от значения Хi, т.е. Хi может принимать значение и 0, и 1. Следовательно, куб

представляет две строки таблицы истинности

Вырожденное покрытие булевой функции Z = X1+X2 имеет вид

Для задания сложного комбинационного устройства без обратных связей используется его вырожденное покрытие, которое несёт информацию как о бу- левых функциях, реализуемых логическими элементами, входящими в него, так и о связях логических элементов с входами и выходами комбинационного уст- ройства и между собой.

1. Неисправности цифровых схем

Неисправность цифровой схемы – это физический дефект одного или не- скольких компонентов, способный вызвать неправильную работу схемы. Ста- рение или производственные дефекты могут вызвать постепенное ухудшение компонента, приводя к появлению отказов (постоянных ошибок). Помехи и на- ложения сигналов на фронтах могут привести к перемежающимся неисправно- стям (сбоям). В этом случае ошибка существует в одни интервалы времени и отсутствует в другие. Однако многие ошибки, которые вначале носят переме- жающийся характер, в конце концов становятся постоянными.

Рассмотрим пример. Постоянно разомкнутый вывод коллектора или базы транзистора, как показано на рис. 2.4, является неисправностью, приводящей к постоянной ошибке. При такой неисправности будет казаться, что на выходе транзистора Q постоянно действует высокий уровень сигнала. С другой сторо- ны, короткое замыкание между коллектором и эмиттером неизбежно приводит к тому, что на выходе Q постоянно действует сигнал низкого уровня. Совокуп- ность таких неисправностей называют неисправностями логического типа.

Рис. 2.4. Физический дефект в виде постоянно разомкнутых выводов Рассмотрим логический элемент типа ЗИ (рис. 2.5). При отсутствии неис-

правности выходной сигнал Z описывается булевой функцией:

Z = Х1Х2Х3.

x1 x2

x3

Z

x1 x2 x3

Рис. 2.5. Функциональная и принципиальная схемы ЛЭ ЗИ

Если вход Х1 постоянно разомкнут, поведение элемента 3И будет, очевид- но, описываться такой функцией, которая вообще не учитывает существования входа Х1. То есть переменная Х1 постоянно имеет значение 1:

X1 = 1;

Z = 1X2X3 = X2X3.

Неисправность такого рода называют просто «неисправность Х1» (тождест- венная единица). Подобным же образом короткое замыкание между коллекто- ром и эмиттером транзистора называют «неисправность Z0» (тождественный ноль).

2. Тесты

Для того чтобы гарантировать правильность работы системы, надо распо- лагать возможностью, во-первых, обнаруживать неисправность в тот момент, когда она появилась, во-вторых, указывать место неисправности с достаточной точностью (чтобы можно было произвести ремонт). Обе задачи решаются при помощи тестов.

Тест Тk есть некоторая последовательность входных наборов сигналов Xk1, …, Zkn, которые должны быть приложены к входам схемы, и соответст- вующих выходных наборов сигналов Xk1, …, Zkn, которые снимаются с выходов схемы. Длина теста есть целое число k. Для поиска неисправности необходимо провести несколько тестов, которые образуют набор тестов или последователь- ность тестов.

Таким образом, существует два класса тестов – тесты, обнаруживающие

неисправность, и тесты, диагностирующие (локализующие) неисправность.

Тест, обнаруживающий неисправность, позволяет выявить, содержит ли тестируемая схема неисправности определенного типа, заданного этим тестом. Он имеет два возможных результата:

• диагностируемый объект не содержит ни одной неисправности заданного типа,
• объект содержит несколько (точно неизвестно) неисправностей заданного типа.

Если для исправной схемы тест длиной в единицу T1 = (Xn1; Zm1) означает, что входной набор сигналов Xn1 порождает выходной набор сигналов Zm1, то для схемы с некоторой неисправностью f выходной набор сигналов изменяется и переходит в Wm1, Wm1>m1. В этом случае говорят, что тест Тk обнаруживает неисправность f, так как мы можем определить её наличие или отсутствие, ис- пользуя данный тест Тk.

Если объект представляет собой последовательностную схему, часто ока- зывается необходимым использовать тесты длиной более единицы. Здесь, если

Тk = (Xn1, …, Xnk; Zm1, …, Zmk),

тест Тk обнаружит неисправность f при условии, что выходная последователь- ность сигналов при наличии f отличается в какой-либо точке Zm1, ..., Zmk.

Простейший метод выработки тестов для малых комбинационных схем дают таблицы истинности. Рассмотрим, например, логический элемент типа И при входных сигналах Х1 и Х2 и выходном сигнале Z (рис. 2.6).

а        б        в

Рис. 2.6. Таблицы истинности:

а – исправного логического элемента 2И; б – элемента с неисправностью Х11; в – элемента с неисправностью типа Z1

Сравнивая таблицы рис. 2.6, а, б, можно видеть, что входной набор теста

Х = ( 0,1 )

обнаруживает неисправность типа Х11, при этом выходной сигнал имеет уро- вень Z = 0 при отсутствии неисправности и Z = 1 при наличии неисправности.

Поэтому обнаруживающим тестом здесь является тест Т = {(0,1);0}. В ка- честве другого небольшого примера рассмотрим таблицу истинности того же элемента 2И с неисправностью типа Z1. Она приведена в таблице на рис. 2.6, в и показывает, что неисправность можно обнаружить по любому из входных на- боров

Х = (0,1); Х = (1,0); Х(0,0)

с помощью теста

Т = {(0,1),(1,0),(0,0); 0,0,0}.

Вместе эти два примера показывают также, что некоторые неисправности могут быть обнаружены несколькими тестами и что некоторый один тест мо- жет обнаруживать несколько неисправностей. Набор тестов, обнаруживающий для некоторого объекта все неисправности заданного класса, называют полным тестом для данного объекта.

Тест

Т = {(0,1),(1,0),(0,0),(1,1); 0,0,0,1)

является полным обнаруживающим тестом для логического элемента 2И.

Таким образом, тесты, обнаруживающие неисправность, говорят только, исправна или неисправна система. Однако ничего не говорят о типе и месте не- исправности, если она обнаружена. Тест, дающий такую информацию, является диагностическим.

Для примера диагностического теста снова обратимся к таблицам истин- ности (см. рис. 26) и заметим, что входной набор

Х = (0,1)

обнаруживает как неисправность Х11, так и неисправность Z1. Однако он не делает между ними различия, поскольку выходной сигнал равен 1 при обеих неисправностях. Следовательно, если бы мы хотели локализовать неисправ- ность только до уровня логических элементов, этот тест был бы вполне подхо- дящим диагностическим тестом для обеих неисправностей. С другой стороны, если бы мы хотели локализовать неисправность до уровня отдельных транзи- сторов и диодов, нам пришлось бы добавить к тесту еще один входной набор Х = (0,0). Таким образом, следующий тест длиной 2 является удовлетворитель- ным диагностическим тестом:

Т = {(0,1),(0,0); 0,0}.

На рис. 27 приведено «дерево неисправностей» для этого теста.

Рис. 2.7. Дерево неисправностей удовлетворительного диагностического теста

2.6. Поиск неисправностей в комбинационных схемах методом акти- визации одномерного пути

Поставим задачу следующим образом. Пусть имеется некоторая комбина- ционная цифровая схема, которая представляет собой группу логических эле- ментов без петель обратных связей. Любой элемент может иметь одну из сле- дующих неисправностей:

• выход тождественно равен «О» – Z0;
• выход тождественно равен «1» – Z1;
• разомкнут один из входов (любой) элемента, что приводит либо к ХО, либо к Х  1 (в зависимости от типа схем – ЭСЛ, КМОП или ТТЛ).

Предположим, что существует только одна из указанных неисправностей. Задача состоит в том, чтобы построить тест или набор тестов, который обнару- живает эту неисправность, используя только внешние входы и выходы схемы.

Для начала рассмотрим простой пример – двухуровневую комбинацион- ную схему (рис. 2.8), состоящую из двух логических элементов: «ИЛИ» и «И».

D1

x1           

x2           

D2

x3           

x5                Z2

x6

Рис. 2.8. Функциональная схема двухуровневого комбинационного устройства

Неисправности типа разомкнутый вход трехвходового элемента «ИЛИ»

КМОП ИМС могут быть обнаружены с помощью входных наборов

Х1 = (1,0,0); Х2 = (0,1,0); Х3 = (0,0,1),

так как разомкнутый вход логического элемента «ИЛИ» ведет себя подобно входу, равному «О». Любой из этих наборов будет также обнаруживать выход- ную неисправность этого логического элемента (ЛЭ) типа ZО. К набору тестов должен быть добавлен тест Х4 = (0,0,0), позволяющий обнаруживать неисправ- ность выхода Z≡1. Таким образом, тест

Т = { (1,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(0,0,0), (1),(1),(1),(О) }

является полным для ЛЭ D1. Такой тест может быть составлен для любого ЛЭ сложной комбинационной схемы и использован для обнаружения неисправно- сти в этой схеме. Однако остается одна трудность: мы не можем непосредст- венно контролировать выходы этих ЛЭ, если они не являются внешними выхо- дами комбинационной схемы. Вместо этого, как в случае нашего примера, мы должны задать определенные сигналы на входах ЛЭ «И» (D2) второго уровня, который позволит нам контролировать выход ЛЭ D1, контролируя выход ЛЭ D2, с которым он связан. Для этого на входы Х5 и Х6 ЛЭ D2 необходимо подать

«1», что обеспечит соответствие выхода Z2 выходу Z1. То есть изменение сиг- нала на выходе Z1 = (0,1) приведет к соответствующему изменению на выходе Z2 = (0,1)

Этот подход можно распространить на следующие уровни более сложной комбинационной схемы вплоть до ее непосредственного выхода. Такой метод контроля выхода произвольного ЛЭ комбинационной схемы называется мето- дом активизации одномерного пути. Этим методом можно не только обнару- жить неисправность в комбинационной схеме, но и локализовать ее.

Основная идея этого метода заключается в выборе пути от места неис- правности, например от ЛЭ D1 (рис. 29), через последовательность ЛЭ D2, …, DN к некоторому внешнему выходу схемы Z.

D0

D1

DN

   Z

Рис. 2.9. Функциональная схема 4-уровневого комбинационного устройства

Сигналы на входах ЛЭ, примыкающих к выбранному пути, должны акти- визировать эти ЛЭ, т.е. переключать их в состояние, открытое для прохожде- ния сигнала по выбранному пути. Таким образом, о состоянии выхода ЛЭ D1 можно судить, контролируя выход ЛЭ DN. Часть схемы от ЛЭ D1 до ЛЭ DN на- зывается активизированным путем, а процедура его формирования – прямой фазой, или фазой продвижения вперёд. Установив активизированный путь, мы должны найти некоторый первичный входной набор сигналов, который позво- лит протестировать рассматриваемый неисправный ЛЭ. Для этого прослежива- ется назад путь по схеме от входов ЛЭ D1, ..., DN до первичных входов схемы. Эта процедура называется обратной фазой, или фазой продвижения назад.

Рассмотрим применение этого метода на следующем примере (рис. 30). Пусть в данной схеме неисправен ЛЭ D2, при этом выход Z2≡1.Чтобы начать фазу продвижения вперёд, выберем тест, который выявляет эту неисправность на языке входов и выходов ЛЭ D2. Этим тестом является X3 = 1. Тогда Z2 = 0 при отсутствии неисправности и Z2 = 1 при наличии неисправности.

D7

x

Z7

x

x x

D8

          Z8

Рис. 3.0. Функциональная схема тестируемого комбинационного цифрового устройства

Затем мы произвольно выбираем путь D2, D5, D6, D8 от D2 до выхода схе- мы Z8. Необходимые условия активизации этого пути имеют следующий вид: X4 = 1 для активизации пути через D5; Х5 = 0 для активизации пути через D6; Z3 = 1 для активизации пути через D8.

Этим для нашего простого примера завершается фаза продвижения вперед. Теперь мы должны определить первичный входной набор сигналов для этой схемы, который определяет все условия, установленные до сих пор, т.е. должны осуществить фазу продвижения назад. Неизвестные до сих пор значения X1 и X2 определяются исходя из условия Z3 = 1. Оно может быть удовлетворено вы- бором:

Х1 = 1;

Х2 = 0.

Заметим, что это произвольный набор одного из трёх возможных вариан- тов: (0,1),(1,0),(1,1).

Таким образом, фаза продвижения назад закончена, и она дает входной на- бор Х = (1,0,1,1,0).

Если подать данный входной набор на входные выводы нашей схемы, на её выходе Z8 будет сигнал:

Z8 = 1 при наличии неисправности; Z8 = 0 при отсутствии неисправности.

Достоинство метода активизации одномерного пути – его простота, а так-

же экономия объема памяти и времени выполнения программ поиска на ЭВМ. Недостаток метода – невозможность применить его в некоторых случаях для поиска неисправности в сложных разветвленных комбинационных схемах.

Практическая часть

1. Описание обучающей программы

Программа для практического изучения метода активизации одномерного пути при тестировании цифровых комбинационных схем написана на языке ВАSIС и выполняется в диалоговом режиме на ПЭВМ. В программе смодели- ровано 4 варианта цифровых схем, собранных на логических элементах «И»,

«ИЛИ», «Исключающее ИЛИ».

Основная идея программы – представление цифровой схемы булевой функцией. Неисправность моделируется соответствующей модификацией этой формулы с учетом того, что моделируется схема на основе ТТЛ-логики, а раз- рыв шины для такой схемы приводит к появлению тождественной единицы на входе следующего после разрыва элемента.

Программу можно условно разделить на несколько основных частей. Пер- вая часть (заставка и справочная таблица) носит чисто информационный харак- тер. Вторая часть – иллюстративная. В ней на экран выводится схема, соответ- ствующая выбранному варианту. Алгоритм работы этих разделов прост и в по- яснении не нуждается.

Третья часть – общая для всех вариантов подпрограмма ввода входных сигналов. После выбора входа для инициализации (выбранный вход помечает- ся) управление передаётся ей. Для обеспечения наглядности входные сигналы (0 или 1) отображаются возле соответствующих выводов схемы.

Итак, введены все входные сигналы. Теперь нужно проверить правиль- ность теста для инициализации выбранного входа, согласно методике поиска входные сигналы должны активизировать одномерный путь от инициализируе- мого входа к выходу. Если их подобрать неправильно, можно ошибочно опре- делить неисправность активизированного пути. Поэтому в программе преду- смотрена проверка правильности теста. Как же осуществляется проверка? Вы-

ходной сигнал вычисляется по булевой функции, соответствующей исправной схеме (т.е. при заведомо исправном активизированном пути) при различных значениях входного сигнала на инициализируемом входе. Если при изменении входного сигнала меняется и выходной сигнал, то тест правильный. В против- ном случае, после соответствующего предупреждения, ввод входных сигналов производится сначала.

Под управлением следующего раздела программы производится тестиро- вание активизированного пути.

Процесс тестирования заключается в следующем. После соответствующей подсказки нужно подать на тестируемый вход два различных сигнала 0 и 1. При этом необходимо обратить внимание на изменение сигнала на выходе схемы. После завершения тестирования (т.е. после подачи различных сигналов на вход) требуется принять решение о состоянии пути. Эту информацию компью- тер предлагает занести в таблицу, на основании которой впоследствии необхо- димо будет определить конкретную точку разрыва. Выход из режима инициа- лизации происходит автоматически, но только после того, как в таблицу будет занесена информация обо всех восьми входах.

После проверки всех входов схемы определяется неисправность. Это про- исходит следующим образом. На схеме появляются буквы, обозначающие все возможные места разрывов. Определение места неисправности заключается в выборе соответствующей буквы. В случае правильного определения места раз- рыва работа считается выполненной успешно, иначе проверку придется повто- рить.

2. Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя индивидуальное задание (вариант).
2. Включить ПЭВМ. После загрузки системы в директории DKK на диске D: найти файл с именем LR5 и нажать клавишу Enter.
3. После появления на экране дисплея титульного листа лабораторной работы приступить к её выполнению, отвечая по мере поступления на все за- просы ПЭВМ.
4. Результатом выполнения работы должна быть распечатка содержи- мого экрана дисплея с положительным ответом ЭВМ.

1. Содержание отчёта

1. Название и цель работы.
2. Краткие теоретические сведения.
3. Результаты выполнения работы в виде распечаток содержимого экрана с положительным ответом ЭВМ.
4. Выводы.

2. Контрольные вопросы

1. Что называют математической моделью комбинационного цифрово- го устройства.
2. Что такое куб?
3. Что такое неисправность цифровой схемы?
4. Какие существуют неисправности цифровых схем?
5. Что такое тесты?
6. Какие тесты используют диагностирование КЦУ?
7. В чём суть метода активации одномерного пути.
8. Как работает обучающая программа?

Краткие теоретические сведения

1. Основные показатели вторичных источников питания СМЭ

В источниках вторичного питания для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя включают сглаживающий фильтр, а в некоторых случаях допол- нительно вводят стабилизатор постоянного напряжения или тока.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в определённых пределах.

Основными показателями, характеризующими качество работы вторично- го источника питания, являются следующие:

1. Коэффициент стабилизации напряжения, который равен отношению от- носительного изменения напряжения на входе и относительному изменению напряжения на выходе:

КСТ

=        ,        (2.1)

где ΔUвх = Uвх.max – Uвх.min; ΔUвых = Uвых.max – Uвых.min;

Uвх.ном.; Uвых.ном – номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора;

Uвх.max; Uвх.min – максимальное и минимальное входные напряжения;

Uвых.max; Uвых..min – максимальное и минимальное выходные напряжения на на- грузке.

2. Выходное сопротивление Rвых:

Rвых = Δ Uвых / Δ Iн,        (2.2)

где Δ Iн – абсолютное изменение тока нагрузки.

3. Коэффициент пульсаций Кп:

К        = U m ⋅100% ,        (2.3)

П        U

0

где Uо – постоянная составляющая выпрямленного напряжения; Um – перемен- ная составляющая.

Коэффициент пульсаций для различных радиоэлектронных систем (СМЭ)

может иметь значения от 0,5 до 0,05%.

4. Нагрузочная характеристика, которая представляет собой зависимость выходного напряжения источника от тока.

Существует два основных вида стабилизаторов: параметрические и ком- пенсационные.

В параметрических стабилизаторах основным стабилизирующим звеном является стабилитрон. В компенсационных стабилизация достигается путем введения отрицательной обратной связи с выхода стабилизатора на вход регу- лирующего элемента, в качестве которого, как правило, используется мощный транзистор.

2. Параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН)

Электропитание маломощной аппаратуры с небольшим пределом измене- ния тока потребления обычно осуществляется от параметрических стабилиза- торов напряжения. Кроме того, эти стабилизаторы используются в качестве ис- точников опорного напряжения (ИОН) в компенсационных стабилизаторах на- пряжения.

Для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применяются элементы с нелинейной ВАХ. Таким элементом может быть кремниевый стабилитрон, ВАХ которого показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. ВАХ стабилитрона

Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рис.1.2. В этой схеме при изменении входного напряжения Uвх на ΔUвх ток через стабилитрон VD из- меняется на ΔIст, что приводит к незначительным изменениям напряжения на стабилитроне (на ΔUн), а следовательно, и на нагрузке.

Рис. 1.2. Параметрический стабилизатор напряжения

Значение Uн зависит от Uвх, сопротивления ограничивающего резистора Rо и внутреннего сопротивления стабилитрона, которое определяется в основном дифференциальным сопротивлением стабилитрона.

rст = dUСТ/dIСТ.        (2.4)

Чем меньше это сопротивление, тем меньше обратная связь через источник питания для каскадов, которое питает стабилизатор. Из графиков на рис. 3 видно, что при увеличении Uст дифференциальное сопротивление уменьшается и достигает минимального значения для стабилитронов с напряжением стаби- лизации 6–8 В.

Температурный коэффициент напряжения αн стабилизатора определяет величину отклонения выходного напряжения ПСН при изменении температу- ры. На рис.2. 4 приведена зависимость αн от напряжения стабилизации.

Для Uст>5,5 В при повышении температуры напряжение на стабилитроне возрастает. Поэтому температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (VD2, VD3 на рис. 1.3).

Рис. 1.3. Зависимость rСТ от напряжения стабилизации

Рис. 1.4. Зависимость αН от напряжения стабилизации

Рис. 1.5. Температурная компенсация в ПСН

При этом возрастает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференци- альных сопротивлений термокомпенсирующих диодов и ухудшается качество стабилизации (уменьшается Кст в 2–4 раза).

Для повышения стабильности выходного напряжения ПСН применяют двухкаскадные (рис. 1.6) или мостовые схемы стабилизатора.

Рис. 1.6. Двухкаскадный ПСН

Предварительная стабилизация напряжения в двухкаскадном ПСН, осуще- ствляемая с помощью элементов R1, VD1, VD2 позволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения. При этом термо- компенсацию осуществляют в двух каскадах, а количество диодов, включенных в прямом направлении, выбирается в зависимости от типа и количества крем- ниевых стабилитронов (КС).

Существуют и другие схемы стабилизаторов с улучшенными характери- стиками: с эмиттерным повторителем (рис. 1.7, а), с токостабилизирующим двухполюсником (рис. 1.7, б).

Максимальная выходная мощность рассмотренных схем ПСН ограничива- ется предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. При использовании транзистора в режиме эмиттерного повтори- теля (см. рис. 1.8, б) мощность может быть увеличена.

а        б

Рис. 7. Схемы ПСН с транзисторами

1. Компенсационные стабилизаторы.

В отличие от параметрических компенсационные стабилизаторы (КСН) обеспечивают необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помощи цепи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий эле- мент (РЭ).

В зависимости от схемы включения РЭ КСН разделяются на последова- тельные и параллельные. Их структурные схемы приведены на рис. 1.8, а, б со- ответственно.

а        б

Рис. 1.8. Структурные схемы КСН

где РЭ – регулирующий элемент – транзистор; ИЭ – измерительный элемент устройства сравнения. ИОН – источник опорного напряжения. В непрерывном последовательном стабилизаторе (см. рис. 1.8, а) РЭ включен последовательно с нагрузкой Rн.

При изменении входного выпрямленного напряжения Uо или тока нагруз- ки, в ИЭ (сравнивающий делитель и источник опорного напряжения) выделяет- ся сигнал рассогласования, который усиливается УПТ и подается на вход РЭ, изменяя его сопротивление по постоянному току, таким образом, что выходное напряжение Uп на Rн сохраняется постоянным с определенной степенью точно- сти.

Измерительный элемент выделяет также сигнал переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения и сглаживает ее регулирующим эле- ментом до малого уровня.

На рис. 1.9 показана типовая схема стабилизатора с последовательным включением РЭ. В этой схеме конденсатор Сос служит для повышения устойчи- вости работы стабилизатора напряжения за счет уменьшения коэффициента усиления УПТ по переменному напряжению, а Сн – для улучшения переходных характеристик и повышения степени устойчивости КСН.

Пунктиром показаны возможные варианты подключения минусовой шины Едоп и сопротивление обратной связи.

Непрерывный параллельный стабилизатор выполняется по структурной схеме рис. 1.9, б. Здесь РЭ – транзистор включен параллельно нагрузке Rн.

Рис. 1.9. Типовая схема последовательного КСН

Выходное напряжение Uп поддерживается постоянным за счет изменения тока, протекающего через регулирующий элемент. Например, при увеличении входного напряжения Uо возрастает ток через РЭ. За счет этого увеличивается падение напряжения на Rг на такую же величину, а выходное Uп остается неиз-

менным. При изменении тока нагрузки стабильность Uп поддерживается за счет того, что сумма токов, протекающих через параллельно включенные РЭ и Rн остается неизменной.

КСН параллельного типа по КПД уступают КСН последовательного типа и применяются при малых изменения тока нагрузки.

2. Импульсные источники питания (ИИП)

Для питания различных электронных устройств в последнее время приме- няют импульсные источники питания.

В сравнении с обычными источниками питания, построенными по схеме с силовым трансформатором, импульсные источники питания обладают рядом существенных преимуществ.

Применение импульсного источника питания даёт возможность умень- шить массу устройства, сэкономить расход меди и снизить уровень магнитного поля частоты 50 Гц. Кроме того, важным преимуществом таких источников яв- ляется практически независимость их выходных напряжений от колебаний на- пряжения сети.

На рис. 2.1 приведена структурная схема импульсного блока питания (МП). Он состоит из выпрямителя сетевого напряжения (1), схемы запуска (2), схемы стабилизации и защиты (3), преобразователя (блокинг-генератор) (4), раздели- тельного трансформатора Т, выпрямителей импульсных напряжений (5–8).

Рис. 2.1. Структурная схема ИИП

Принцип работы модуля питания (МП) состоит в преобразовании выпрям- ленного сетевого напряжения в высокочастотное импульсное с частотой 25–28 кГц с последующей трансформацией и выпрямлением во вторичных цепях.

Вследствие большой частоты преобразования значительно облегчается фильтрация постоянных напряжений. Поэтому все вторичные выпрямители од- нополупериодные.

Выходное напряжение в ИИП зависит от скважности управляющих им- пульсов, т.е. от длительности импульсов и периода их следования. При вклю- чении модуля питания на схему преобразователя подаётся однократный им- пульс запуска, сформированный схемой запуска из переменного напряжения сети. Так как в момент включения конденсаторы во вторичных выпрямителях разряжены, то модуль питания в момент включения работает в режиме корот- кого замыкания. Следовательно, вся энергия, направленная в индуктивность трансформатора Т, отдаётся во вторичные цепи. Последующие включения и выключения транзистора блокинг-генератора происходят аналогично, т.е. за- пускающим импульсом от сети.

Нескольких таких вынужденных колебаний достаточно, чтобы зарядить конденсаторы во вторичных цепях.

Остаточная энергия, запасаемая в индуктивности трансформатора ТПИ по окончании заряда конденсаторов во вторичных цепях, создаёт в обмотке обрат- ной связи (II) напряжение, которое, будучи приложенным между эмиттером и базой транзистора, приводит к возникновению колебательного блокинг- процесса.

Групповая стабилизация выходных напряжений модуля питания осущест- вляется схемой стабилизации и защиты. Напряжение, снимаемое с обмотки стабилизации (I) трансформатора и пропорциональное отклонениям выходных напряжений питания, подаётся на схему стабилизации, вырабатывающую сиг- нал ошибки, определяющий длительность токовых импульсов ключевого эле- мента блокинг-генератора (КТ845). Таким образом происходит дозирование энергии, передаваемой от выпрямителя сетевого напряжения в обмотку намаг- ничивания трансформатора (III) и в ферритовый сердечник в зависимости от напряжения сети или сопротивления нагрузки. В случае если ток ключевого элемента блокинг-генератора превысит заданное значение, схема защиты сры- вает колебания последнего. Режим короткого замыкания возникает при замы- кании выходов модуля питания. Запуск МП при наличии КЗ во вторичных це- пях осуществляется запускающим импульсом от схемы запуска. При этом про- исходит одно колебание. После окончания запускающего импульса схема не возбуждается, так как вся энергия, накопленная в сердечнике трансформатора, расходуется короткозамкнутой цепью.

Ток КЗ по самой мощной цепи составляет 300 mА, т.е. безопасен для вы- прямительного диода.

При снятии КЗ модуль питания входит в режим стабилизации. Режим хо- лостого хода наступает при отключении нагрузки или при уменьшении сум- марной мощности потребления до 20 Вт. В этом случае запуск блокинг- генератора осуществляется запускающими импульсами с устройства запуска, а его выключение – устройством стабилизации и защиты.

Таким образом, схема работает в повторно-кратковременном режиме. При увеличении нагрузки блокинг-генератор переходит автоматически в режим ста- билизации.

3. Практическая часть

1. Приборы и оборудование 1.Осциллограф С1-83 или С1-114. 2.Вольтметр.

3. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). 4.Прибор регулировки и контроля модуля питания. 5.Лабораторный макет.

1. Описание работы прибора регулировки и контроля модуля питания

В заводских условиях перед установкой в СМЭ модуль питания подверга- ется проверке на соответствие его параметров ТУ. Эта проверка осуществляет- ся с помощью специального стенда: прибора регулировки и контроля модуля питания (ПРК МП).

Так как на МП подается сетевое напряжение, то рабочее место ПРК МП оборудуется разделительным трансформатором, ЛАТРом и вольтметром.

ПРК МП обеспечивает подключение к цепи Uз (+15 В) динамической (Rд)

нагрузки 18 Ом с током потребления 0,4 А и частотой коммутации 100 Гц.

В ПРК МП предусмотрена защита визуального контрольного устройства (ВКУ) от повышения напряжения по цепи U4 (+12 В) в проверяемом модуле питания.

Питание ПРК МП осуществляется от сети переменного тока 220 В 50 Гц через разделительный трансформатор и ЛАТР, позволяющий регулировать в пределах от (176±10) В до 220 В. Для обеспечения работы в режиме регулиров- ки и контроля в ПРК МП имеются гнёзда для подключения приборов.

ПРК МП состоит из блока регулировки и контроля (БРК) и видеоконт- рольного устройства (ВКУ).

Структурная схема ПРК МП приведена на рис. 3.1. Токовый датчик защиты цепи 220 В выполнен на резисторах. При протекании тока на нем выделяется напряжение, поступающее на схему защиты платы коммутации. При превыше- нии допустимого значения тока схема защиты отключает питание 220 В с про- веряемого модуля.

В этом состоянии схема может находиться сколь угодно долго, а визуально проявляется по потуханию светодиода «Сеть МП» и свечению светодиода «Пе- регрузка».

Схема динамической нагрузки Rд состоит из мультивибратора и ключевой схемы. Мультивибратор отключается при подаче напряжения U3 МП. Схема защиты ВКУ по цепи U4 (+12 В) собрана на компараторе и реле. Если напря- жение в цепи U4 превышает уровень (12,6±0,1) В, схема защиты отключает ВКУ.

Схема включения ВКУ обеспечивает питание цепи накала кинескопа в исходном состоянии от ТС. При этом к модулю питания подключены эквива- ленты нагрузок. При нажатии кнопки «ТВ» МП подключается к ВКУ. Различ- ные режимы работы ПРК МП обеспечивают органы управления блокировки и индикации.

Рис. 3.1. Прибор регулировки и контроля МП:

ТД – токовый датчик; ПК – плата коммутации; ОУБ – органы управления, бло- кировки, индикации; РЭ – эквивалент нагрузок; ПУ – подключающее устройст- во; ТС – трансформатор силовой; ВКУ – видеоконтрольное устройство

В ПУ устанавливается и подключается проверяемый модуль питания. От разделительного трансформатора через ТД, ПК на него поступает питающее напряжение. К выходным цепям модуля питания подключены резисторы экви- валентов нагрузок и гнёзда для подключения измерительных приборов. При со- ответствии выходных параметров модуля питания номинальным значениям к выходным цепям его, вместо эквивалентов нагрузок возможно подключение ВКУ для визуального контроля.

Подключаемое устройство предназначено для быстрого, надежного и безопасного включения МП в схему проверки. Оно содержит пружинные кон- такты Х1, ..., Х21, с помощью которых подается первичное и снимается вто- ричное напряжение. С контактов Х1, Х2 к модулю питания подводится напря- жение 220 В, а контакты Х3, Х4 подключают электролитический конденсатор МП (С11) к цепи разряда после проверки МП (тем самым обеспечивается элект- робезопасность персонала). Остальные контакты позволяют производить изме- рение режимов элементов МП.

ВКУ включает в себя модули базового телевизора (кроме МП) и дополни- тельную плату для перекоммутации модулей базового телевизора (4 УСЦТ).

В режиме регулировки и контроля МП нить накала кинескопа питается от ТС, а в режиме визуального контроля – от кассеты разверток.

2. Описание лабораторного макета

Лабораторный макет состоит из параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения, схемы которых приведены на рис. 3.2 и 3.3. Рабочее место оборудовано осциллографом, ЛАТР ом и вольтметром для контроля пи- тающей сети.

На передней панели макета расположены: регулятор нагрузки, измеритель тока нагрузки, гнезда для контроля Uвх и Uвых, тумблер для подключения к гнездам Uвых либо параметрического, либо компенсационного стабилизатора, тумблер и лампочка «Сеть».

Рис. 3.2. Схема параметрического стабилизатора

Рис. 3.3. Схема компенсационного стабилизатора

3. Измерение характеристик параметрического и компенсационного стабилизаторов

1. Изучить описание лабораторной работы и инструкции пользования прибором.
2. Получить у преподавателя допуск к выполнению практической части работы.
3. Установить на ЛАТРе 220 В.
4. Подключить к гнездам «Нагрузка» ЛАТРа макет и тумблером к гнез- дам Uвых подать напряжение с выхода параметрического стабилизатора.
5. Включить лабораторный макет стабилизаторов напряжения.
6. Установить ток нагрузки 50 мА.
7. Измерить вольтметром постоянное напряжение на входе и выходе стабилизатора.
8. Измерить осциллографом амплитуду пульсаций.
9. Определить, в соответствии с формулой (36), Кп.
10. Подключить вольтметр к гнездам Uвх лабораторного макета и, уста- новив поочередно ЛАТРом сетевое напряжение 200 и 240 В, измерить измене- ние напряжения на входе параметрического стабилизатора.
11. Подключить вольтметр к гнездам Uвых лабораторного макета и, ус- тановив поочередно ЛАТРом сетевое напряжение 220 и 240 В, измерить изме- нение напряжения на выходе параметрического стабилизатора.
12. Определить, в соответствии с формулой (34), Кст.
13. Установить на ЛАТРе 220 В и, изменяя так нагрузки от 50 до 150 мА че- рез 20 мА, измерить нагрузочную характеристику параметрического стабилиза- тора (5–6 измерений).
14. При минимальном и максимальном токах нагрузки по формуле (35)

определить Rвых параметрического стабилизатора.

15. Переключив тумблер на передней панели макета, подать на гнезда

Uвых напряжение с выхода компенсационного стабилизатора.

16. Используя органы управления макетом, измерить параметры ком- пенсационного стабилизатора: Кст, Rвых, Кп, и снять нагрузочную характеристи- ку, для чего повторить пп. 3.4.6–3.4.14. Полученные данные занести в отчет.

4. Настройка и регулировка ИИП

1. Соединить составные части ПРК МП между собой и подключить из- мерительные приборы.
2. Тумблеры включения ПРК МП и приборов установить в положение

«Выкл».

3. Подключить измерительные приборы к питающей сети.
4. На антенный вход ВКУ подать ВЧ-сигнал от ГИС ТТ.
5. Подключить сетевые шнуры ПРК МП к питающей сети и к раздели- тельному трансформатору в соответствии с гравировкой на ПРК МП.
6. Включить и прогреть приборы согласно их инструкциям по эксплуа- тации.
7. Контролируя по вольтметру, установить напряжение сети на ЛАТРе равное нулю.
8. Установить следующее исходное состояние органов управления и индикации ПРК МП:

• светодиоды не светятся;
• кнопки в отжатом положении;
• тумблер МП 405 в соответствующее проверяемому модулю положение.

9. Открыть защитный колпак подключающего устройства и установить модуль питания.
10. Закрыть колпак на защёлку. При этом срабатывает блокировка, обеспечивающая возможность подачи на МП питающего напряжения.
11. Тумблер «Сеть» ПРК МП установить в положение «Вкл», при этом должна загореться лампочка «Сеть». После 10 мин прогрева ПРК МП готов к работе.
12. Нажать кнопку «Сеть МП», при этом должен загореться соответст- вующий светодиод. Контролируя напряжение по вольтметру, установить ЛАТРом напряжение, при котором произойдёт запуск МП и загорится светодиод +15 В Х3. Зафиксировать это напряжение, а затем выставить 220 В.
13. Подключить цифровой вольтметр В7-27 к гнездам «Вольтметр» и по его показаниям убедиться в наличии и соответствии номиналам напряжений U1, U2, U3, U4, коммутируя их переключателем «Вольтметр». В случае необ- ходимости произвести регулировку напряжения +125 В с помощью потенцио- метра R4 МП 405 (через отверстие в защитном колпаке).
14. Строго соблюдая полярность выводов, подключить В7-27 к гнездам

«Вольтметр», осциллограф – к гнездам «Осциллограф» и определить коэффи- циенты стабилизации и пульсации МП для одного из выходных напряжений:

U1 = +125 B;

U2 = +28 B;

U3 = +15 B;

U4 = +12,6 B.

Для этого: установить номинальный ток нагрузки; измерить вольтметром постоянное напряжение на выходе стабилизатора; измерить осциллографом амплитуду пульсаций; определить, в соответствии с формулой (36), Кп; устано- вить поочередно ЛАТРом сетевое напряжение 220 и 240 В, измерить изменение напряжения на выходе источника питания; определить, в соответствии с фор- мулой (34) Кст.u.

15. Установить переключателем БРК ток нагрузки в положение Iн.перегр. Нажать кнопку «Перегр.1», убедиться по угасанию светодиода +15 В Х3 в срабатывании защиты по напряжению U1 +125 В. Нажатием кнопки

«Откл. защиты» произвести запуск МП. Нажать кнопку «Перегр.2», убедиться по погасанию светодиода +15 В Х3 в срабатывании защиты по напряжению U1

+125 B. Нажать на кнопку «КЗ U4», убедиться по погасанию светодиода +15 В Х3 в срабатывании защиты по напряжению U4 +12 B.

16. С помощью осциллографа С1-83 проверить форму и частоту напря- жения на гнезде Rд (f = 100 Гц±30%), форма импульсов – прямоугольная.
17. Нажать кнопку «ТВ», при этом должен загореться светодиод «ТВ» и появиться изображение, соответствующее маркировке на приборе ГИС ТТ. Определить по качеству изображения соответствие МП техническим требова- ниям.
18. Нажать на кнопку УРК. На экране ВКУ должна быть видна кратко- временно «волна» по кадрам. При этом на петлю размагничивания кинескопа подается синусоидальное убывающее напряжение и происходит размагничива- ние кинескопа.
19. Поднять защитный колпак. Операция проверки закончена.

4. Содержание отчета

1. Схема электрическая принципиальная параметрического и        компенса- ционного стабилизаторов напряжения.
2. Основные расчетные формулы и результаты измерений и расчетов.
3. Анализ полученных результатов расчетов и измерений.
4. Структурная схема ИИП.

5. Контрольные вопросы

1. Назначение и принцип работы параметрического стабилизатора на- пряжения.
2. Принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения.
3. Основные показатели, характеризующие работу стабилизатора напря- жения.
4. Принцип работы импульсного источника питания.
5. Регулирование выходного напряжения импульсного источника пита-

ния.

6. Основные отличия импульсных источников вторичного питания  от

других типов.

6. Индивидуальные задания

1. Каким образом осуществляется стабилизация в параметрических ста- билизаторах? Определите величину резистора Ro, если Uвх = 15 В, Uн = 9 В, Icт = 3–10 мA, Iн = 0,9 мA.
2. Используя график на рис. 10, определите оптимальное напряжение ста- билизации при Iст = 20 мA.
3. Для мостовой схемы стабилизации (рис. 15, а) определите коэффици- ент    стабилизации    при     Uвх = 15 В,     Uн = 12,6 В,     R1 = R2 = 0,5     КОм, R3 = 0,75 КОм, rст = 10 Ом.
4. Охарактеризуйте способы регулирования выходного напряжения в импульсных источниках питания.
5. Объясните, как осуществляется групповая стабилизация выходных на- пряжений в импульсных источниках питания.