Структура системы автоматического управления

Допустим, логический элемент должен выдать сигнал при условии, что на вход будут одновременно поданы три входных сигнала. Эту функцию выполняет элемент И

Для срабатывания элемента X (электромагнитного ре­ле) необходимо подать сигналы (напряжения) на обмотки трех реле —я₃, которые замкнут свои контакты, изобра­женные в таблице. При этом поступит напряжение на об­мотку реле Х. Выходной сигнал появится после замыкания контакта х.

Логические функции, выполняемые элементами, могут быть обозначены алгебраически .

Если отсутствует хотя бы один входной сигнал (допу­стим, ai = 0), то выходной сигнал также равен 0.

12.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Рассмотрим работу первого элемента. При отсутствии сигналов на входах 1, 3, 5, 7 транзистор VT1 закрыт напря­жением смещения +t/_CM. При этом напряжение на его кол­лекторе (выход 9) практически равно напряжению источни­ка. На выходе элемента имеем логическую единицу, равную по значению напряжению источника — 12 В. При подаче на любой из входов 1, 3, 5, 7 отрицательного напряжения от —4 до —12 В транзистор VT1 открывается и напряже­ние на выходе 9 практически падает до U_3к насыщения. На выходе появляется логический нуль. Элемент реа­лизует логическую функцию У=Х₁-\-Х₂+Хп. Логический элемент серии Т-101 может питать элемент серии Т-107, вы­полняющий функцию И.

Логический элемент серии Т-101, выполняющий функцию ИЛИ—НЕ (а), и его временные диаграммы (<5)

Более совершенная серия «Логика И» выполнена на ин­тегральных микросхемах, имеет меньшие габариты и лучшие технические характеристики. Вход выполнен на двух транзисторах VT1 и VT2 типа р-п-р. В качестве транзисторов VT3, VT4, VT5 использованы тран­зисторные структуры типа п-р-п . При открытых транзисторах VT1 и VT2 транзистор VT3 закрыт, так как потенциал его базы равен нулю. Рассмотрим работу схемы при шунтированном стабилитроне VD2. Если закрыт тран­зистор VT3, то закрыт транзистор VT5. При этом транзис­тор VT4 открыт и выходное напряжение U_Bblx близко к напряжению источника (+15 В). На выходе элемента выда­ется логическая единица. Если на оба входа Х\ и X_? подать положительное напряжение, закрывающее оба транзистора VT1 и VT2, то под действием тока 6 открывается VT3. При этом VT5 также открывается и напряжение на выходе па­дает до логического нуля. Транзистор VT4 закрывается па­дением напряжения, образующимся на прямом сопротивле­нии диода VD3. Транзисторы VT3 и VT5 работают как один составной транзистор. Ток коллектора VT3 является от­крывающим током для VT5, и оба транзистора либо откры­ты, либо закрыты. Для выравнивания их эмиттерных токов параллельно эмиттерному переходу транзистора VT5 вклю­чается резистор R5. Этот же резистор обеспечивает закры­тие VT5. Такое включение VT3 и VT5 позволяет повысить коэффициент усиления. Следует отметить, что к выходу элемента может быть подключено много других логических элементов, которые создают эквивалентную емкость на выходе (до 680 пФ). Заряд этой емкости происходит через небольшой резистор R4 и транзистор VT4, а разряд — через VD3 и VT5. Благо¬даря малой постоянной времени заряда и разряда время срабатывания элемента мало: 250—500 мс.

Для повышения помехоустойчивости элемента включен стабилитрон VD2. До тех пор, пока напряжение на нем ме¬нее 6 В, транзисторы VT3 и VT5 не открываются.

Для увеличения числа управляющих сигналов парал¬лельно транзисторам VT1 и VT2 могут включаться допол¬нительные транзисторы типа р-п-р.

Основные параметры элемента К-511

Напряжение питания, В - 15±10%

Логическая единица, В, не менее 12

Логический нуль, В, не менее 1,5

Пороговое значение логического нуля, В – 6

Статическая помехоустойчивость по постоянному току, В – 4,5

Частота переключений, кГц, не менее 10

12.8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

К логическим элементам относятся триггеры, являющие­ся элементами памяти. В триггере на основе электромаг­нитного реле при нажатии кнопки х подается напряжение на его обмотку У. Реле кроме главного контак­та имеет вспомогательный контакт у, который при замыка­нии кнопки х1 шунтирует ее после срабатывания. Поэтому после размыкания кнопки х1 токи в нагрузке и об­мотке реле остаются. Нагрузка обесточивается при нажа­тии кнопки х₂. Таким образом, в схеме реализуется функ­ция памяти.

Логическая функция триггера может быть записана в виде У= (xi~j-y)x₂. Преимущественное распространение получили полупроводниковые триггеры типов RS, //(, Т и D. В ^S-триггере используются логические элементы ИЛИ—НЕ и И—НЕ (рис. 12.39) и имеются вход S (ан­глийский термин set — установка) и вход R (английский термин reset — сброс). Выход Q триггера называют пря­мым, выход Q — инверсным. По обоим выходам элементы триггера D1 и D2 охвачены перекрестными обратными свя­зями.

Рассмотрим работу схемы. Пусть на вхо­дах R и S сигналы отсутствуют. При этом на выходе Q мо­гут устанавливаться логические 0 или 1. Допустим, Q = 0. Если подать сигнал на вход S, то на выходе В устанавли­вается 0. На входе R при этом сигнала нет, и на выходе элемента D1 устанавливается 1, так как на второй вход элемента D1 пулевой сигнал подается с выхода D2. Если со входа S сигнал снять, то на выходе элемента D2 сигнал отсутствует (0) из-за наличия сигнала обратной связи от элемента DL Если подать сигнал на вход вторично, то со­стояние триггера не изменится. На выходе А устанавлива­ется 1, на выходе В—0. Если подать сигнал на вход /?, то на выходе А устанавливается нулевой сигнал, при этом на вход элемента D2 подается два логических нуля и на вы­ходе элемента D2 устанавливается 1. При снятии сигнала со входа R состояние элемента А не изменится (Q = 0), так как на него действует сигнал обратной связи с элемены’ D2. Одновременная подача сигналов па входы S и R при­водит к неопределенному состоянию триггера. Такая воз­можность должна быть в схеме исключена.

Если до подачи сигнала на вход S на выходе элемента Dl сигнал Q = l, то это автоматически определяет сигнал на выходе B_t равный нулю (Q = 0). При подаче сигнала на вход S состояние триггера не меняется.

Подадим сигнал 0 на вход S и сигнал 1 на вход R. Так как на элементе D1 один из входов имеет 0, то на его выходе устанавливается 1 вне зависимости от сигнала на втором входе. По цепи обратной связи эта 1 будет подана на второй вход элемента D2. Поскольку на входе D2 име­ем две логические 1, то на его выходе устанавливается 0. При сигналах R — 0, S — 1 и наличии Q = 1 и Q=0 на

Рис 12. 39 Асинхронные S-триггеры. а —с прямыми входами, б — с инверсными входами

выходе элемента D2 устанавливается 1, так как один из его входов имеет 0 (/? = 0). По цепи обратной связи эта 1 пе­редается на элемент D7, и на его выходе появляется 0, так как на вход подано две логические единицы. Происходит сброс триггера. При R=S = l триггер сохраняет предыду­щее состояние.

Триггер на элементах И—НЕ является инверсным от­носительно триггера на элементах ИЛИ—НЕ (см. рис. 12.39,а), так как он переходит в состояние Q=1 и Q = 0 при подаче сигнала S = 0 и R= 1. Значения R = 0, S = 0 должны быть исключены, так как такое их сочетание при­водит к неопределенному состоянию триггера.

Описанные триггеры называются асинхронными, так так они могут изменять свое состояние немедленно после появления входных сигналов. При этом возможно наруше­ние логических связей, обусловленное тем, что выход­ные сигналы обратной связи различных элементов из-за пе­реходных процессов образуются не одновременно Из-за этого появляются ложные сигналы, нарушающие нормальную работу схем управления.

Для устранения этого недостатка вводится синхронизирующий вход С, который запускает триггер. Па входах RS-триг­гера, содержащего элементы И— НЕ, стоят два эле­мента И—НЕ. На вход R сигнал подается только тогда, когда од­новременно подаются сигналы Xs и Хс. Сигнал на выходе Q = 1 устанавливается только тогда, когда в момент времени £₂ появляются X_s— 1 и Хс— 1. Обратное состояние триггера по­является в момент времени £₃ при наличии сигналов X_R=l и Х_с = = 1. Обычно синхронизирован­ные триггеры имеют дополнитель­ные входы, показанные штрихо­вой линией, для установки в ис­ходное положение.

Допустим, что состояние выходов Q = 1_ и Q = 0. Подадим сигналы / = 1 и К = 0. На входах S и R имеем 1. Триггер не меняет своего состояния. Если <2 = 0 и Q — 1, то на входе S получается 0, а на входе R устанавливается 1. Происходит переброс триггера в состо­яние <2=1 и <2 = 0. Если затем подать сигналы J*— 0 и К— = 1, то триггер переходит в состояние Q = 0 и Q = l. На входы / и К можно одновременно подать логические 1. Ес­ли <2=1 и Q = 0, то на входе S устанавливается 1 и на входе R—0. Происходит переброс триггера в состояние <2 = 0 и Q = 1. Если снова подать 1 на оба входа, то триг­гер переходит в состояние <2=1 и Q=0. Таким образом/К-

триггер может работать при одновременной подаче сигна­ла 1 на оба входа. Триггеры RS при одновременной подаче единичного сигнала на оба входа имеют неопределенное со­стояние.

При каждой подаче одного сиг­нала на вход происходит инвертирование сигналов на вы­ходах.

Триггер имеет вход D и син­хронизирующий вход 7\ При отсутствии сигнала на входе D Q=0 и Q=l. Если сигнал па вход D приходит в момент времени /_ь состояние триг­гера не меняется. В момент t₂ прихода синхроимпульса на вход Т происходит пере­брос триггера в положение Q= 1, Q — 0. После прохож­дения синхроимпульса и сня­тия сигнала D состояние триггера не меняется, пока не придет следующий син­хроимпульс (до момента вре­мени ti).

Рис. 12.42. Схема и временная диаграмма D-триггера

Таким образом, D-триггер сохраняет состоя­ние логической 1 после сня­тия входного сигнала до прихода очередного синхро­импульса.

Для записи двоичных чисел служат регистры. Ре­гистр состоит из двоичных ячеек, число которых соот­ветствует числу разрядов — длине кода.

Регистр имеет три общие шины: шины установки нуля ZZ/0, шину записи ШЗ_У шину считывания ШС. При подаче напряжения на шину ШО все триггеры устанавливаются на нуль (происходит очистка памяти). При подаче напря­жения на шину ШЗ срабатывают элементы И (В1—В4) и сигнал подается на входы /^S-триггеров. Для считывания информации из регистра подается сигнал на шину ШС. На выходе регистров включены четыре элемента И (С!—С₄), выдающие сигнал Y после подачи напряжения на шипу ШС. При считывании состояние регистров не меняется. За писанная информация может использоваться многократно. Цифровая информация может записываться в регистрах по­следовательного действия. Сначала записывается старший разряд, а потом младшие.

Асинхронный параллельный регистр

Дешифратор — это логическая схема, которая каждую комбинацию сигналов на его входе (код) в результате об­работки информации выдает в виде определенного сигнала на его выходе. Такая операция широко используется при автоматическом управлении. Дешифраторы также исполь­зуются при переходе из одной системы счисления в другую. Дешифраторы реализуются на триггерных узлах и имеются в серии «Логика И».

Для электрической развязки выходов логических эле­ментов от присоединяемого оборудования и повышения вы­ходной мощности широко применяются выходные элементы в виде герконовых реле (И-201—И-204, И-206, И-401 — И-403). Однако герконы обладают таким недостатком, как возможность вибрации контактов. Если вибрации контак­тов недопустимы, то применяется выходной элемент И-406 на оптоэлектронных приборах. При подаче сиг­нала на контакты 2, 5 подается напряжение на фотодиоды, излучение которых открывает фототиристоры. В результа­те сопротивление между точками 8_У 12 резко падает и через нагрузку потечет ток. Наличие в схеме двух тиристоров обеспечивает прохождение через нагрузку переменного то­ка. Цепочка RC служит для ограничения перенапряжений на тиристорах.

12.9. БЕСКОНТАКТНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

(БКРПУ)

На основе тиристоров возможно осуществление следующих операций:

1. включение и отключение электрической цепи с актив­ной и смешанной (индуктивной и емкостной) нагрузкой;

2. изменение тока нагрузки за счет регулирования мо­мента подачи сигнала управления.

Напряжение на нагрузке при фазовом (а), фазовом с при­нудительной комму гацией (б) и широтно-импульсном (в) управлении

Наиболее широкое применение в бесконтактных элек­трических аппаратах получили фазовое и широтно-импульс­ное управление.

В первом случае среднее и действующее значения тока Меняются за счет изменения момента подачи на тиристор открывающего сигнала за счет угла а. Угол а называ­ется углом управления.

Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)