Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из непод­вижной и вращающейся частей. На неподвижной части — станине (рис. 9.1) — укреплены главные полюсы для возбуждения магнит­ного потока и дополнительные — для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника и обмотки возбуждения. На свободном конце сердечника устанавливается полюсный на­конечник для создания требуемого распределения магнитного потока.

Рис 9.1

Станина является ярмом ма­шины, т.е. частью, замыкающей магнитную цепь магнитного по­тока главных полюсов (рис. 9.2).

Дополнительные полюсы уста­навливаются на станине между главными полюсами. На сердеч­никах дополнительных полюсов располагаются обмотки, кото­рые соединяются последователь­но с обмоткой якоря.

Якорем называется враща­ющаяся часть машины. Якорь (рис. 9.3) состоит из сердечника с обмоткой, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженных на общий вал.

Коллектор представляет собой по­лый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга и вала машины клинообразных медных пластин. Проводами они соединяются с витками обмотки, разме­щенной в пазах якоря. Вращающаяся обмотка соединяется с внеш­ней цепью скользящим контактом между щетками, установ­ленными в щеткодержателях, и коллектором. Щеткодержатели надеваются на траверсу, от кото­рой они электрически изолируются. Траверса соосно соединена с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение ще­ток по отношению к полюсам машины.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью.

Машина постоянного тока, может работать в режиме генератора или двигателя.

Режим двигателя. Представим обмотку якоря машины (рис. 9.10) в развернутом виде (рис. 9.11, а) и подключим выводы щеток к электрической системе постоянного тока большой мощности.

Ток в обмотке якоря (см. рис. 9.10), взаимодействуя с магнит­ным полем главных полюсов по правилу левой руки, создает дей­ствующий на сердечник якоря вращающий момент М_ВР в направ­лении движения часовой стрелки. При постоянной частоте враще­ния п, т. е. постоянных угловой ω_ВР и окружной v скоростях яко­ря, вращающий момент уравновешивается тормозным моментом рабочего механизма: М_вр = М_тор.

В витках обмотки якоря, вращающихся в магнитном поле глав­ных полюсов, будут индуцироваться ЭДС е_я, направления кото­рых, по правилу правой руки, указаны на рис. 9.10 и 9.11, а. На­правления ЭДС и тока в витках обмотки якоря противоположны, поэтому ЭДС якоря двигателя называют противоЭДС.

Если у генератора с параллельным или независимым возбуждением, подключенного к этой сети, уменьшить ток возбуждения с таким расчетом, чтобы э. д. с. якоря стала меньше напряжения сети, то ток в цепи якоря из-за преобладания напряжения сети над э. д. с. изменит направление, т. е. пойдет от сети к машине. При этом электромагнитный момент также изменит направление и будет направлен в сторону вращения машины, т. е. станет вращающим.

Таким образом, машина постоянного тока может быть переведена из генераторного режима в двигательный, при котором якорь машины начинает потреблять из сети ток, создаваемый разностью напряжения сети и э. д. с. якоря

Электрическое состояние цепи якоря описывается уравнением

Е_я+ I_ЯR_Я=U которому соответствует схема замещения на рис. 9.11,б.

Умножив слагаемые уравнения (9.3) на 1_Я, получим уравнение баланса мощностей цепи якоря

UI_Я =I²_ЯR_Я+ Е_яI_Я

где UI_Я — мощность внешнего источника электрической энергии; I²_ЯR_Я — мощность потерь в проводах обмотки якоря; Е_ЯI_Я = -Р_Е — мощность ЭДС якоря двигателя, равная мощности электромаг­нитного преобразования электрической энергии внешнего источ­ника в механическую энергию Р_эм=М_ЭМ*ω_ВР= М_ТОР*ω_ВР

Двигатель преобразует электрическую энергию в механиче­скую.

На рис. 9. И, в приведено условное обозначение цепи якоря двигателя на принципиальных схемах электрических цепей.

Соединение цепей возбуждения и якоря

Рабочие характеристики машин постоянного тока зависят от способа включения обмоток электромагнитов главных полюсов, т. е. цепи возбуждения, относительно цепи якоря. Возможны параллельное, последовательное и смешанное соединения цепей возбуждения и якоря. Цепи возбуждения и якоря могут быть неза­висимы одна от другой.

В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения ω_в подключается к независимому источнику (рис. 9.12, а), и маг­нитное поле главных полюсов не зависит от нагрузки машины.

В машинах с параллельным возбуждением обмотка возбуждения ω_пар соединяется параллельно с цепью якоря (рис. 9.12, б), имеет большое число витков из провода малого сечения и значительное активное сопротивление. В этих машинах ток возбуждения, а сле­довательно, и магнитный поток главных полюсов при постоян­ном напряжении между выводами машины не зависит от ее на­грузки.

В машинах с последовательным возбуждением обмотка возбужде­ния гиПОС включается последовательно с цепью якоря (рис. 9.12, в), имеет малое число витков из провода большого сечения и малое активное сопротивление. В этих машинах магнитный поток глав­ных полюсов зависит от нагрузки машины, т.е. тока якоря, рав­ного току возбуждения.

В машинах со смешанным возбуждением на каждом сердечнике главного полюса расположены две обмотки (рис. 9.12, г), одна w_nap соединяется с цепью якоря параллельно, а другая w_nос — последовательно. Обычно обмотки включаются согласно и в зави­симости от соотношения их МДС преобладают свойства.

Механические характеристики. Механическая характеристика n(M_BP) – зависимость частоты вращения якоря от механической нагрузки, т.е. момента на его валу.

Е_Я= с_ЕФn, с_Е - постоянная величина для данной машины, Ф - магнитный поток одного главного полюса.

n=(U-R_ЯI_Я)/(с_ЕФ), можно подставить ЭДС

Различают естественные и искусственные механические характеристики. Под естественными (искусственными) понимают характеристики двигателей, цепи якоря и возбуждения которых не содержат (содержат) дополнительные резисторы или реостаты. Свойство двигателя определяется также регулировочной , скоростной и другими характеристиками.

25. Полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Принцип действия, характеристики и их использование в схемах электроники.

По функциональному назначению различают полупроводни­ковые диоды выпрямительные, стабилитроны, фо­тодиоды, светоизлучающие диоды и т.д.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования пе­ременного тока в постоянный и используют свойство р-n перехода, а также других электрических переходов хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо — в противопо­ложном. Эти токи и соответствующие им напряжения между вы­водами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями. На рис. 13.5 приведены условное обозна­чение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная ха­рактеристика.

Прямые ток и напряжение при положительных значениях направ­лены от анодного к катодному вы­воду.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются (табл. 13.1):

- постоянный прямой ток I_ПР при постоянном прямом напря­жении U_ПР;

- постоянный обратный ток I_ОБР при постоянном обратном на­пряжении U_ОБР;

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_{ОБР.МАХ}

- максимально допустимый средний прямой ток I_{ПР.СР.МАХ}

Стабилитроны или опорные диоды, предназначены для ста­билизации постоянного напряжения.

В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) р-n перехода при не­которых значениях обратного напряжения Uобр= Uпроб.

При изменении тока пробоя стабилитрона от I_{СР MIN} до I_{СР MAX} напряжение на нем меняется мало

U= U_ПОР +R_ДИФ.СТ I_СТ,

Где U_ПОР и R_ДИФ.СТ –пороговое напряжение проводимости и дифференциальное сопротивление стабилитрона, являющиеся параметрами его эквивалентной схемы замещения.

Важным параметром стабилитронов является температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН) α_Н, %/ºС, равный относительному изменению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 °С и постоянном номинальном токе стабилитрона. Для низковольтных стабилитронов (U_CТ.НOM = 3,3—5,6 В) ТКН имеет отрицательные значения, для стабилит­ронов с U_CТ.НOM > 6 В — положительные значения.

Выпрямительные диоды и стабилитроны бывают малой, средней, большой мощности.

Биполярные транзисторы. Работа биполярных транзисторов основана на явлениях взаи­модействия двух близко расположенных р-n переходов.

Идеализированная модель биполярного транзистора представ­ляет собой трехслойную структуру п-р-п- (рис. 13.9) или р-п-р типа. Транзистор называется биполярным потому, что физические про­цессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих зна­ков (свободных дырок и электронов).

Средний слой биполярного транзистора называется базой Б, один крайний слой — коллектором К, другой крайний слой —эмиттером Э. Каждый елой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в цепь. В зависимости от полярности на­пряжений между выводами биполярного транзистора он работает в различных режимах.

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

• активный режим, в котором переход эмиттер—база включен в прямом направлении, а переход коллектор—база — в обратном;

• инверсный режим, в котором переход эмиттер—база включен в обратном направлении, а переход коллектор—база — в прямом;

• режим отсечки, в котором оба перехода включены в обрат­ном направлении;

• режим насыщения, в котором оба перехода включены в пря­мом направлении.

Если транзистор применяется для усиления сигналов, то ос­новным является его активный режим работы, если в качестве ключа — режимы отсечки и насыщения.

При подключении положительного полюса источника посто­янной ЭДС Е_э= -U_ЭБ к базе потенциальный барьер р-п перехода (на рис. 13.9) между базой и эмиттером понижа­ется. Свободные электроны инжектируются из эмиттера в базу, образуя ток I_э в цепи эмиттера. Если между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Е_к = U_КБ отрицательным по­люсом к базе, то увеличивается потен­циальный барьер р-n перехода между базой и коллектором. Большая электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем напряженностью ε_КБ этого р-n перехода, образуя ток I_K в цепи коллектора. Незначительная часть свободных электронов, инжекти­рованных из эмиттера в базу, образует ток I_Б в цепи базы.

В рассмотренном случае база являет­ся общим электродом входной и выход­ной цепей. Такая схема включения би­полярного транзистора называется схе­мой с общей базой (ОБ). Возможны так­же схемы включения биполярного транзистора с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ).

Основными статическими параметрами биполярного транзис­тора являются:

- максимально допустимые постоянные ток коллектора I_{K max}, напряжения U_KЭmax и мощность потерь в коллекторе Р_{К рас мах}=U_KЭ I_K, коэффициент передачи постояноого токав режиме малого сигнала h₂₁.

Основными динамическим параметрами биполярного транзис­тора в ключевом режиме являются интервалы времени включения и выключения, характеризующую задержку включения и выключения тока коллектора относительно сигнала включения и выключения в цепи базы.

Полевые транзисторы. Различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и на основе конструкции металл—диэлектрик—полупровод­ник (МДП-транзисторы).

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Рассмот­рим принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п переходом и n-каналом на примере его идеализированной модели (рис. 13.18).

Между двумя электродами, называемыми истоком И и стоком С, расположен n-канал из полупроводника p-типа. Если между истоком и стоком включен источник ЭДС Е_с положительным по­люсом к стоку, то в n-канале есть ток проводимости (13.1), значе­ние которого зависит от сопротивления канала. В свою очередь сопротивление n-канала зависит от его ширины, которую в поле­вых транзисторах можно изменять. Для этого между третьим элек­тродом, называемым затвором З, и истоком включен источник ЭДС Е₃ отрицательным полюсом к затвору, так что p-n переход между n-каналом и полупроводником p-типа, который находится у затвора, включен в обратном направлении. Ширина обедненно­го подвижными носителями p-n перехода (заштрихованная область на рис. 13.18) влияет на ширину n-канала и тем самым на его проводимость.

В этом случае полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ). Возможно включение полевого транзистора также по схеме с общим стоком и общим затвором. Но они используются редко.

Работу полевого транзистора с управляющим переходом определяют статистические стоковые I_C(U_CИ)_Uзи=const и стокозатворные I_C(U_ЗИ)_Uси=const характеристики. Чрезмерное увеличение напряжения U_CИ вызывает лавинный пробой между затвором и стоком. При напряжении U_3И, меньшем на­пряжения отсечки U_3Иoтс, канал закрыт (I_с=-I₃). Изменение по­лярности напряжений U_{C И} или U_{3 И} нарушает работу затвора.

Полевые МДП-транзисторы отличаются от полевых транзисто­ров с управляющим p-n переходом тем, что в них электрод за­твора 3 изолирован от канала слоем диэлектрика. В качестве ди­электрика обычно используется Si0₂.

МДП-транзистор представляет собой пластину кремния р~ или и-типа, называемую подложкой П, в которой создаются две обла­сти с противоположным типом проводимости. Одна из этих обла­стей используется как исток И. другая — как сток С.

Различают МДП-транзисторы с встроенным и индуцирован­ным каналами.

МДП-транзистор с встроенным n-каналом (рис. 13.20) содер­жит подложку из полупроводника p-типа, в которой создаются две области полупроводника n-типа для стока и истока. Вслед­ствие контактных явлений на границе раздела диэлектрика и под­ложки в ее приграничном слое образуется инверсный слой, т.е. n-канал. Этот канал соединяет между собой области стока и исто­ка при отсутствии напряжения U_ЗИ = 0. При U_ЗИ > 0 канал обогаща­ется электронами, при U_ЗИ < 0 — обедняется.

МДП - транзистор с индуцированным n-каналом получается, если в структуре на рис. 13.20 слой полупроводника подложки под ди­электриком Si0₂ лигировать акцепторами. Тогда при напряжении U_ЗИ =0 проводящий канал между стоком и истоком отсутствует и возникает при напряжении U_ЗИ > U_{ЗИ пор}.

В рассмотренных случаях исток являлся общим электродом вход­ной и выходной цепей. Такая схема включения полевого транзис­тора называется с общим истоком (ОИ).

Основными статическими параметрами полевых транзисторов являются: максимально допустимые значения посто­янных тока стока I_C, напряжений U_ЗИмах, U_СИмах и мощности потерь P_ПОТмах=U_СИI_C

26. Схемы одно- и двухполупериодного выпрямления переменного тока.

В общем случае структурная схема выпрямительного устрой­ства (рис. 14.1) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сгла­живающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения С_т. Трансформатор служит для изменения значения синусоидаль­ного напряжения сети С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации вы­прямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизмен­ным напряжение на приемнике П при изменении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства, например трансформатор, могут отсутствовать, что зависит от условий ра­боты.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. Так, например, если для работы выпрямителя требуется одно-единственное питающее напряжение, то такой вып­рямитель будет однофазным. Если же для работы выпрямителя требуются два питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180°), то такой выпрямитель называют двухфазным.

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рис. 30.2 а, является простейшим. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения, как показано на рис. 30.3 а. Такие вып­рямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рис. 30.2 б, представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w₂ и w'₂. С помощью этих полу­обмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма выходного напряжения такого выпрямителя приведена на рис. 30.3 б. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильт­ра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U₀ от среднего значения выпрямленного тока I₀.

27. Усилители на транзисторах.

Усилителями называются устройства, предназначенные для уве­личения значений параметров электрических сигналов за счет энергии включенного источника питания. Усилители применяют­ся для преимущественного усиления значений тех или иных пара­метров сигналов. По этому признаку их подразделяют на усилите­ли напряжения, тока и мощности.

Усиление напряжения Ku = U₂/U₁, мощности , силы тока K_i = I₂/I₁, K_p = P₂/ P₁

Классификация У. э. к. В зависимости от вида применяемых усилительных элементов различают транзисторные и ламповые У. э. к., диодные регенеративные усилители и т.д.

В транзисторных У. э. к., собранных на биполярных транзисторах или полевых транзисторах, в зависимости от того, какой из выводов усилительного элемента является общим для входа и выхода усилительного каскада, различают каскады с общим эмиттером или истоком, с общей базой или затвором и с общим коллектором или стоком. В У. э. к. на биполярных транзисторах из-за наличия входного тока на управление транзистором приходится затрачивать определённую мощность.

Усилительный каскад с ОЭ. Типовая схема усилительного кас­када с ОЭ выделена на рис. 15.2 сплошной линией. Здесь и в даль­нейшем заземлением будем отмечать общий узел входной и вы­ходной цепей усилителя. Источник усиливаемого сигнала, пока­занный внутри штриховой линии, подключается к входным вы­водам усилительного каскада и представляет собой источник с внутренним сопротивлением R_BT и ЭДС е_с = u_с. Конденсаторы C₁ и С₂ большой емкости отделяют цепь постоянного тока (цепь пита­ния) от цепи источника сигнала и цепи приемника с сопротив­лением нагрузки R_H.

Если напряжение входного сигнала u_с невелико, то работу усилительного каскада удобно представить в виде наложения ре­жима покоя с постоянными составляющими токов базы I_Бп, кол­лектора I_Кп и эмиттера I_Эп при действии только источника ЭДС Е_к (рис. 15.3) и режима малого сигнала с переменными составля­ющими токов базы i_Б, коллектора i_к, эмиттера i_k и нагрузки i_н при другом источнике ЭДС е_с (рис. 15.4), ток которого i_с равен току на входе усилительного каскада Положительное направление тока нагрузки i_н, равного току на выходе усилительного каскада i_вых, принято к общему выводу транзистора, т.е. к эмиттеру.

Режим покоя определяется на статических кол­лекторных характеристиках транзистора по методу нагрузочной характеристики

I_K=(E-U_КЭ)/(R_К+R_Э)

Усилительный каскад с ОК. На рис. 15.7 приведена типовая схе­ма эмиттерного повторителя.

Исключим из схемы замещения усилительного каскада (рис. 15.8), аналогично предыдущему, резистивные элементы 1/h₂₂, R₁ и R₂ с большими относительно других резистивных элементов сопротив­лениями и примем напряжение и_вх синусоидальным. Тогда по вто­рому закону Кирхгофа для контура 1 напряжение на входе каска­да в режиме холостого хода R_H равно: u_BX=h₁₁i_Б+U_н.х.; U_н.х.=(1+h₂₁)i_БR_Э напряжение на выходе каскада; /_Б = /_вх — ток на входе каскада.

Из этого находим основные параметры усилительного каскада с ОК.

- входное сопротивление

Усилительный каскад с ОБ. По сравнению с усилительным каскадом с ОЭ усилительный каскад с ОБ имеет при соизмери­мом значении коэффициента усиления напряжения большее зна­чение граничной частоты. Однако он имеет малое входное и боль­шое выходное сопротивления. По этим причинам усилительный каскад с ОБ применяется редко.

28. Стабилитроны и их использование в схемах электроники.

Стабилитроны или опорные диоды, предназначены для ста­билизации постоянного напряжения.

В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) р-n перехода при не­которых значениях обратного напряжения Uобр= Uпроб.

При изменении тока пробоя стабилитрона от I_{СР MIN} до I_{СР MAX} напряжение на нем меняется мало

U= U_ПОР +R_ДИФ.СТ I_СТ,

Где U_ПОР и R_ДИФ.СТ –пороговое напряжение проводимости и дифференциальное сопротивление стабилитрона, являющиеся параметрами его эквивалентной схемы замещения.

Важным параметром стабилитронов является температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН) α_Н, %/ºС, равный относительному изменению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 °С и постоянном номинальном токе стабилитрона. Для низковольтных стабилитронов (U_CТ.НOM = 3,3—5,6 В) ТКН имеет отрицательные значения, для стабилит­ронов с U_CТ.НOM > 6 В — положительные значения.

Выпрямительные диоды и стабилитроны бывают малой, средней, большой мощности.

29. Тиристоры и их использование в электрических схемах.

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивы­ми состояниями и тремя или более последовательно включенны­ми р-п-переходами, которые могут переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Наиболее распространена струк­тура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупровод­ников р- и n-типов (рис. 13.29).

Различают управляемые (триодные), и неуправляемые (диодные) тиристоры.

Диодный тиристор имеет два вывода — анодный и катодный. Его переключение из одного устойчивого состояния в другое в цепи переменного тока определяется методом нагрузочной ха­рактеристики. При плавном увеличении от нулевого значения ЭДС е = Е_т sin ωt диодный тири­стор сначала будет закрыт и ток в цепи мал (точка 1 на ВАХ, см. рис. 13.29). В точке 2 ВАХ диодного тиристора напряжение на нем достигнет напряжения включения U = U_вкл. Дальнейшее даже не­значительное увеличение ЭДС е при­ведет к резкому изменению режима работы цепи (точка 3 на ВАХ), т.е. включению диодного тиристора. При уменьшении ЭДС е процессы в цепи протекают в обратном порядке. В точ­ке 4 ВАХ напряжение достигнет на­пряжения выключения. Дальнейшее уменьшение ЭДС е приводит к вы­ключению диодного тиристора.

Триодный тиристор (тиристор) кроме анодного и катодного выводов имеет еще вывод управляющего электрода (УЭ), кото­рый подключается либо к ближайшей к катоду p-области, либо к ближайшей к аноду n-области. В соответствии с этим различают катодное и анодное управление тиристором. Первое более распро­странено. Структура тиристора с катодным управлением, его ус­ловное обозначение и ВАХ приведены на рис. 13.31.

При изменении напряжения управления U_yn изменяется и на­пряжение включения тиристора U_вкл. Следовательно, его можно использовать как управляемый ключ.

Для выключения триодного тиристора необходимо уменьшить его ток практически до нуля и затем в течение некоторого време­ни приложить напряжение U< 0.

Тиристоры только с управляемым включением называются однооперационными; тиристоры с управляемым включением и вы­ключением — двухоперационными.

Запираемые триодные тиристоры являются разновидностью управляемых тиристоров, в которых запирание возможно за счет коротких по длительности импульсов напряжения U_yn обратной по­лярности.

30. Логические элементы.

Своевременное подключение и отключение необходимого обо­рудования в целях поддержания режимов технологических про­цессов требует принятия тех или иных решений в зависимости от конкретных условий. Если наличие или отсутствие каждого усло­вия отождествить с напряжением электрического сигнала различ­ного уровня, то принятие решения возможно с помощью элект­ронных устройств на основе логических элементов. Такие устрой­ства реализуют логическое преобразование совокупности сигна­лов об условиях работы в совокупность сигналов управления технологическим процессом.

В зависимости от схемотехнической реализации логических эле­ментов сигналы на их входах и выходах имеют либо отличные от нуля напряжения (положительное — «положительная логика» или отрицательное — «отрицательная логика»), либо близкие к нулю, которые принято условно отождествлять с логической единицей и нулем. При этом работу логического элемента можно описать зависимостью логического значения выходного сигнала F от со­вокупности логических значений входных сигналов х. Такую зави­симость принято представлять таблицей истинности.

Можно доказать, что для любых логических преобразований достаточно иметь три элементарных логических элемента, выпол­няющих операции: логическое отрицание (логическое НЕ), логи­ческое сложение (логическое ИЛИ) и логическое умножение (ло­гическое И).

Логические элементы реализуют логические функции:

• элемент НЕ (инвертор) —

F = ¯x;

• элемент ИЛИ (дизъюнктор) на два входа —

F= х₁ + х₂

• элемент И (конъюнктор) на два входа —

F= х₁х₂

На практике часто используется расширенный набор логиче­ских элементов, реализующих логические функции:

- ИЛИ—НЕ (стрелка Пирса) (рис. 16.8, а) F = (х₁ + х₂) (сверху черта на всю скобку); .

- И—НЕ (штрих Шеффера) (рис. 16.8, б) F = х₁х₂ (сверху черта);

- импликация (рис. 16.8, в) F=x₁ + x₂(сверху черта только над x₂)

- запрет (рис. 16.8, г) F=x₁x₂(сверху черта только над x₂)

- равнозначность (рис. 16.8, д)F= х₁х₂ + (х₁х₂) (сверху черта на всю скобку)

Логические схемы можно построить таким образом, что логи­ческие значения сигналов на одних ее входах будут запрещать или разрешать прохождение на выход цифровых данных по другим вхо­дам. Входы, или сигналы, логических элементов, управляющих другими входами, называются стробирующими.

Рабочие свойства логических элементов определяет ряд пара­метров:

• быстродействие — время задержки между сменой состояний входного и выходного сигналов (см. рис. 16.4, в);

• нагрузочная способность, или коэффициент разветвления, — число входов, которые можно подключить к одному выходу;

помехоустойчивость — максимально допустимый уровень на­пряжения помехи, не вызывающий ложного переключения;

• степень генерирования помех — интенсивность колебаний тока при переключении элементов;

• мощность рассеяния — мощность потерь энергии в элементах.