1.2. Классификация, отличительные особенности и свойства дискретных элементов

Дискретные элементы (ДЭ) в зависимости от используемого для формирования выходного сигнала источника энергии подразделяются на активные и пассивные элементы. У активных элементов для формирования выходного сигнала используется отдельный источник энергии, а входные сигналы осуществляют управление функционированием элемента. Примером таких элементов являются транзисторы. У пассивных ДЭ для формирования выходного сигнала используется энергия входных сигналов. Одним из примеров пассивного элемента является диод.

С учётом зависимости функции выхода от внутреннего состояния элемента, предшествующего подаваемой комбинации входных сигналов, ДЭ подразделяются на элементы с памятью и комбинационные, или логические элементы. Как уже указывалось ранее (подразд. 1.1), формируемый элементом с памятью выходной сигнал зависит от состояния элемента. У комбинационных элементов значение формируемой логической функции выхода определяется только значениями переменных на входах элемента в данный момент времени.

Дискретные устройства с памятью, обладающие конечным числом состояний, входных и выходных сигналов, называются конечными автоматами.

все ДЭ и ДУ в зависимости от числа состояний подразделяются на двухпозиционные и многопозиционные. К двухпозиционным относятся элементы с двумя состояниями, одно из которых обозначается как соответствующее нулю, а другое – как соответствующее единице. Такими элементами являются все логические ДЭ. Многопозиционные элементы характеризуются наличием трёх и более состояний. Примером трёхпозиционного элемента является нейтрально-поляризованное реле, которое может находиться как в нейтральном состоянии, так и в состоянии положительной и отрицательной полярности. К многопозиционным элементам относятся различные многопозиционные коммутаторы.

В зависимости от того, как определены дискретные моменты времени, в которые реализуется скачкообразный переход автомата из одного состояния в другое, различают синхронные и асинхронные автоматы. Изменение состояния синхронного автомата происходит в строго определённые моменты времени, называемые тактами, которые задаются синхронизирующими импульсами, формируемыми специальным генератором. Состояния таких автоматов, а также входные и выходные сигналы рассматриваются только для моментов поступления синхронизирующих импульсов. Изменение состояния автомата происходит после воздействия синхронизирующего импульса и заканчивается к моменту поступления следующего синхронизирующего сигнала. В асинхронных автоматах переход из одного состояния в другое происходит вследствие изменения входного сигнала или внутреннего состояния элементов памяти автомата. В асинхронных автоматах моменты времени перехода из одного состояния в другое заранее не определены. Изменение состояния автомата может происходить через неравные между собой промежутки времени. Состояние автомата в любой момент времени определяется комбинацией входных сигналов, внутренним состоянием автомата, предшествующим изменению входных сигналов. Следовательно, для надёжного функционирования асинхронных автоматов обязательно выполнение условия, при котором изменение входных сигналов не должно производиться быстрее изменения внутреннего состояния элементов памяти автомата, реагирующих на данное изменение сигнала.

В зависимости от реакции ДЭ на наличие входного сигнала или динамику его изменения различают статические и динамические элементы. Условием изменения состояния статического элемента является сам факт наличия сигнала с уровнем логического «0» или логической «1» на соответствующих входах элемента. Динамические элементы реагируют не на сам уровень входного сигнала, а на его изменение с «0» в «1» или с «1» в «0». Входы ДЭ или ДУ, реагирующие на переход сигнала от одного логического уровня к другому, называются динамическими входами. Один и тот же элемент или устройство могут иметь как статические, так и динамические входы. В качестве динамического входа обычно используется вход для подачи синхронизирующих импульсов, определяющий момент перехода ДЭ или ДУ из одного состояния в другое.

В зависимости от однозначности преобразования информации различают детерминированные и стохастические (вероятностные) автоматы. В детерминированном автомате каждой временной последовательности изменения входных сигналов всегда однозначно соответствует своя строго определённая последовательность внутренних состояний и состояний выходов автомата. В стохастическом автомате это свойство не соблюдается. Переход из одного состояния в другое происходит с некоторой вероятностью. Поскольку каждый элемент и сам автомат характеризуются определённым значением надёжности, то все ДЭ и ДУ могут быть отнесены к стохастическим.

Все ДЭ и ДУ обладают свойством направленности передачи информации. Наличие данного свойства предопределяет однонаправленную передачу информации от входа к выходу элемента, полностью исключает влияние выходных сигналов на состояние входов и внутренние состояния ДЭ или ДУ.

Ещё одним свойством ДЭ является разделение входов и выходов элемента, заключающееся в отсутствии влияния сигналов на одних входах или выходах на сигналы других входов или выходов элемента.

Важной характеристикой ДЭ релейного действия является коэффициент возврата, определяемый отношением значения управляющего сигнала, при котором элемент переключается в состояние логического нуля, к значению данного сигнала, при котором элемент переходит в состояние логической единицы (см. рис. 1.1, а–г).

Независимо от используемой элементной базы и конструктивного исполнения все логические элементы обладают некоторыми общими характеристиками. К таким характеристикам относится число входов элемента и коэффициент разветвления, определяющий количество элементов, которые могут быть подключены к выходу ДЭ и управляться данным элементом.

В зависимости от принципа действия и конструктивного исполнения различают контактные и бесконтактные ДЭ. Отличительной особенностью контактных ДЭ является наличие механического контакта, используемого для коммутации различных цепей путём их фактического разрыва или замыкания.

Одним из самых широко распространённых контактных ДЭ является электромагнитное реле (рис. 1.2, a). Основными элементами электромагнитного реле являются: обмотка электромагнита 1, сердечник электромагнита 2, ярмо 3, якорь 4, контактный поводок 5 и группа контактов 6–8.

В случае отсутствия тока в обмотке электромагнитный поток также отсутствует. Якорь не притянут к электромагниту. Поэтому средний контакт реле 6, называемый общим, замкнут с нижним контактом 8, называемым тыловым. Эти контакты могут использоваться для коммутации какой-либо электрической цепи, например цепи для подключения к источнику питания лампы Л1.

В случае замыкания ключом К цепи для протекания тока через обмотку реле, создаётся электромагнитный поток. Под воздействием данного потока подвижная часть 4 реле, называемая якорем, притягивается к электромагниту и посредством контактного поводка 5 воздействует на общий контакт реле 6. Общий контакт 6 также приходит в движение, размыкается с тыловым контактом 8 и замыкается с фронтовым 7 контактом реле. Цепь питания лампы Л1 размыкается, и создаётся цепь для подключения к источнику питания лампы Л2.

При отсутствии тока в обмотке реле общий и тыловой контакты нормально замкнуты, а общий и фронтовой контакты нормально разомкнуты. Рассмотрим схематическое обозначение контактов (рис. 1.2, б–и).

Рис. 1.2. Устройство электромагнитного реле (а) и схематическое обозначение различных контактов: при размыкании цепи (б, в): отсутствие тока в обмотке реле (б); реле под током (в); на замыкание цепи (г, д): реле обесточено (г); находится под током (д)

Работающие на размыкание цепи общий и тыловой контакты изображаются, как показано на рис. 1.2, б, если отсутствует ток в обмотке реле; если реле находится под током, то – как показано на рис. 1.2, в. Работающие на замыкание цепи общий и фронтовой контакты отображаются, как показано на рис 1.2, г – когда реле обесточено, а когда реле под током, то, как показано на рис. 1.2, д.

Реле может иметь размыкающие контакты (см. рис. 1.2, б, в), замыкающие контакты (см. рис. 1.2, г, д) и переключающие контакты, представляющие собой комбинацию замыкающего и размыкающего контактов. Схематическое изображение переключающих контактов для случая нахождения реле под током представлено на рис. 1.2, е, а при нахождении реле в обесточенном состоянии – на рис. 1.2, ж. В конструктивном исполнении в состав реле может входить от одной до восьми различных контактных групп и, следовательно, реле может одновременно коммутировать до восьми различных цепей. Схематическое изображение контактов, используемое в промышленной автоматике и телекоммуникационных схемах, представлено на рис. 1.2, з, и.

Одним из достоинств реле является полное гальваническое разделение цепи питания обмотки реле, используемой для управления, и цепей, коммутируемых контактами. Данный дискретный элемент достаточно хорошо защищён от воздействия электромагнитного импульса. Обладая перечисленными достоинствами, реле обоснованно используется как коммутационный исполнительный элемент в различных схемах автоматики и при построении особо ответственных схем управления различными технологическими процессами.

К бесконтактным ДЭ или ДУ также могут быть отнесены все реализованные на диодах, транзисторах или с использованием интегральной технологии логические элементы и конечные автоматы. Принцип действия бесконтактных ДЭ основан на использовании свойства нелинейного скачкообразного изменения сопротивления элемента под воздействием электрического, магнитного, теплового или оптического управляющего сигнала. Бесконтактный элемент в отличие от контактных ДЭ не производит физического разрыва или замыкания цепи. Примером бесконтактного ДЭ может служить транзисторный ключ, скачкообразно переходящий из одного состояния в другое под воздействием входного сигнала. Одно из этих состояний, например соответствующее низкому уровню выходного сигнала, может быть обозначено логическим символом «0», а другое, соответствующее высокому уровню – символом «1».