9.Полупроводниковые и микроэлектронные элементы логических органов

Комбинационные логические элементы производят операции И, ИЛИ, НЕ над дискретными сигналами: логической единицей (1) и нулем (0). На рис. 3.5, а показана схема диодного элемента, реализующего логическую операцию ИЛИ (рис. 3.5, б) для единиц в виде положительных напряжений U₁-U_n (сигналов Х₁-Х_n) и логическую операцию И (рис. 3.5, в) для единиц в виде отрицательных напряжений (—U₁) — (—U_n) (сигналов Х₁—Х_n).

Рис. 3.5. Схема диодных логических элементов Рис. 36. Схема логического элемента НЕ

ИЛИ (И) (а) и их условные графические (транзисторного инвертора)

обозначения (б, в)

Для получения положительного напряжения U_вых (сигнала Y) на выходе достаточно на один из входов подать положительное напряжение, например U₂ (сигнал Х₂). При этом открывается соответствующий диод и на резисторе R_н появляется напряжение U_вых, практически равное напряжению U₂. Для получения на выходе отрицательного сигнала — U_вых, обусловленного —E_к, необходимо, чтобы при подаче сигналов на вход все диоды закрылись. Это возможно лишь при наличии отрицательных напряжений (—U₁) — (—U_n) —на всех входах.

Логическая операция НЕ реализуется транзисторным инвертором (рис. 3.6). Если сигнал на входе отсутствует U_вх = 0 (сигнал Х=0), то благодаря положительному смещению (потенциал базы +Е_см) транзистор закрыт, на выходе схемы —отрицательный потенциал — напряжение —U_вых≈—Е_к (сигнал Y=1). При появлении сигнала Х=1 на входе (напряжение U_вx>0) транзистор открывается и напряжение на выходе исчезает (сигнал Y=0). Рассмотренные логические операции выполняются и на основе магнитных элементов [7].

Логический элемент времени, выполняемый на основе полупроводниковых приборов, обычно использует для создания выдержки времени заряд или разряд конденсатора. Принципиальная схема такого элемента показана на рис. 3.7. При отсутствии сигнала на входе через эмиттерный переход транзистора VT проходит прямой ток, поэтому транзистор открыт и конденсатор С закорочен. При этом к диоду VD приложено обратное напряжение и он закрыт. Сигнал на выходе отсутствует (U_вых=0).

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ

Полупроводниковые измерительные реле, как и электромеханические, осуществляют сравнение воздействующих величин по их абсолютному значению и по фазе. Эти функции у них выполняют специальные полупроводниковые элементы — схемы сравнения. В процессе сравнения они преобразуют непрерывные величины на входе в дискретную величину на выходе. Это обычно постоянный ток или постоянное напряжение, имеющие два значения, которые различаются знаком. Исполнительной частью схемы сравнения является нуль-орган. Под схемой сравнения часто понимают и сравнивающую и исполнительную части реле. Для выполнения схемы сравнения используют диоды, триоды, выпрямители, поляризованные и магнитоэлектрические реле, а также транзисторные и операционные усилители. Все эти элементы, исключая транзисторные и операционные усилители, рассмотрены выше. Поэтому изучение схем сравнения начнем с рассмотрения транзисторных и операционных усилителей.

Двухкаскадный усилитель в релейном режиме (рис. 3.16). В устройствах релейной защиты и автоматики усилитель используется в качестве нуль-органа схем сравнения. Он отличается от триггера (рис. 3.8) тем, что при отсутствии сигнала на входе транзистор VT1 открыт, так как потенциал его базы относительно эмиттера отрицателен благодаря цепи с резистором R3, а транзистор VT2 закрыт. Усилитель приходит в действие при подаче на его вход положительного напряжения U_вх (сигнала), которое должно быть достаточным для закрытия транзистора VT1. При этом транзистор VT2 открывается. В таком состоянии схема находится до тех пор, пока входной сигнал не будет снят или входное напряжение не уменьшится до некоторого значения. Ток в коллекторной цепи транзистора VT2 изменяется скачкообразно от минимального до максимального значений благодаря положительной обратной связи, обеспечивающей релейное действие усилителя аналогично электромеханическому реле.

Рис. 3.16. Схема усилителя, работающего в релейном режиме

Операционные усилители постоянного тока. Они представляют собой сложное полупроводниковое устройство, в состав которого входят несколько транзисторных каскадов усиления напряжения, выходной каскад усиления тока и цепи согласования каскадов между собой. Операционный усилитель (ОУ) имеет два основных входа и один выход. Для питания ОУ имеются еще два входа, которые подключаются к двум источникам питания противоположной полярности +Е_п и —Е_п с общей нулевой шинкой 0 (рис. 3.17, а). Один из основных входов называется инвертирующим (сокращенно И-вход), а другой — неинвертирующим (сокращенно Н-вход). Первый обозначается знаком «—», а второй — знаком «+». Входные напряжения, подводимые к инвертирующему U_вх1 и к неинвертирующему U_вх2 входам, и выходное напряжение U_вых отсчитываются от нулевой шинки. Операционный усилитель характеризуется коэффициентом усиления К, под которым понимают отношение изменения выходного напряжения ΔU_вых к вызвавшему его изменению входного напряжения ΔU_вх при работе ОУ на линейном участке характеристики (К=10³...10⁶).