Методическое пособие 477

121

При разомкнутом ключе К1 (который может быть бесконтактным, например МУС) ток Iу=0, тиристор закрыт и ток в Rн равен нулю. После замыкания К1 при положительной полуволне напряжения тиристор открывается и через нагрузку течет ток. При размыкании К1 цепь разрывается после прохода тока через ноль, R1 ограничивает ток управления Iу, защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения.

На рисунке 22.9 представлена схема управления обмоткой мощного контактора. При замыкании бесконтактного ключа К тиристор открывается и через него получает питание обмотка контактора. Управлять схемой обмотки можно очень слабыми токами, т.к. коэффициент усиления тиристора по току достигает 10, а по мощности 10.

Уменьшение износостойкости и длительности горения дуги можно получить в тиристорно-контактной схеме (рисунок 22.10). Контакты аппарата К шунтированы тиристорами Т1 и Т2. При изменении тока (отключение или включение цепи) на выходе трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 появляется напряжение, которое подается на управляющей электроды тиристоров и они открываются. Диоды DV1,DV2 обеспечивают открытие тиристора только при положительной полуволне тока, а другого - только в отрицательной. Таким образом, в моменты размыкания-замыкания К оказывается шунтированным Т1 и Т2. Дроссель L включен для защиты Т1 и Т1 от высокого значения производной di/dt. Схема обладает тем преимуществом, что при замкнутых контактах ток через тиристоры не течет, при размыкании К ток течет очень короткое время, поэтому допустимый ток в этом режиме в десятки раз больше номинального, что позволяет брать тиристоры на малый ток и без радиаторов. Применение тиристоров для шунтирования контактов позволило резко увеличить износостойкость контакторов, например, КТ-7000Б с 0,5*106 до 107, а КТП-7000Б до 15*106 циклов. Число допустимых включений в час возросло с

1200 до 2000.

Если использовать для управления тиристором МУС, то изменяя ток управления усилителя можно менять угол отсечки (см. идеальный МУ) и момент появления напряжения на нагрузке, которое открывает тиристор. Таким образом, система МУС – тиристор, позволяющий осуществить широкоимпульсное регулирование тока в нагрузке. На рисунке 22.11 представлена такая схема управления двигателя постоянного тока. Тиристор в этой системе является вентилем, управляемым во времени. Управление

тиристором производится напряжением, создаваемым на Rн током нагрузки МУС. МДС обмотки смещения – wсм выбирается такой, чтобы при токе управления МУС, равном нулю, ток нагрузки был минимален. Диод DV2 служит для того, чтобы тиристор не открывался током холостого хода МУС (напряжение холостого хода на Rн меньше порогового напряжения DV2). При подаче тока управления в МУС напряжение на Rн отпирает тиристор и через двигатель протекает ток. Регулируя ток управления МУС, можно менять угол отсечки тока на Rн и средний ток через якорь ДПТ.

122

Тиристорный пускатель (рисунок 22.12)

Блок 1 - силовой блок. В каждую из фаз включены DV1,2,3 и Ту1,2,3 , рассчитанные на пусковой ток АД к сети. При подаче U на тиристоры они подключают АД к сети. В отрицательный полупериод (Ту1,2,3 - закрыты) ток двигателя пропускается DV1,2,3. При перегрузке, потере фазы, Стоп снимает Uу

и Ту1,2,3 закрываются. Ту1,2,3 могут пропустить еще один полупериод и затем также закрываются.

Блок 2 – блок управления. (Основной узел блокингенератор (БГ)), от него подается сигнал управления на управляющие электроды тиристоров Ту1,2,3 силового блока 1. БГ работает в генераторном режиме, выдавая импульсы длительностью 30мкс и частотой 3кГц (рисунок 22.12). Использование блокингенератора дает возможность быстро включить и отключить силовые тиристоры и уменьшить тепловую нагрузку по управляющему электроду.

Питание блока 2 осуществляется от блока 3. При нормальном режиме тиристор Т2 насыщен и сигнальная лампочка Л2 (аварийный режим) не горит. Если же на управляющие электроды 7,8 Т4 подано напряжение от блока защиты – 4, то ТУ4 открывается, закорачивая источник питания. При этом перестает работать БГ, закрывается ТУ5, закрывается Т2 – зажигается Л2, сигнализируя об отключении пускателя (срабатывание защиты).

При потере фазы в напряжении питания (после DV7 - DV9) появляется пауза. В эту паузу блок 2 обесточивается, отключается ТУ5, закрываются силовые вентили.

Блок 4 – защита от перегрузок. Напряжение с датчиков ТТ1,2,3

выпрямляется диодами VD4 – VD6 и подается на суммирующий резистор R4. Стабилитрон Ст1 работает в режиме пробоя: при напряжении меньшем чем пробивное Ст1 имеет очень большое сопротивление и ток базы I1 отсутствует (Т1 - закрыт). При U>Uпроб.ст1 сопротивление Ст1 резко падает и Т1 открывается, заряжается емкость С2. Но напряжение с С2 подается на выходы 7,8 только тогда, когда оно превысит напряжение переключения динистора Д11 (характеристика Д11 аналогична характеристике тиристора, но управляющий электрод отсутствует).

ѐТаким образом, емкости С1, С2, Ст1 и Д11 осуществляют временную амплитудную селекцию перегрузки. При напряжении на С2 большем, чем напряжение переключения динистора Д11, С2 разряжается на управляющие электроды Т4 (блок 2), отключая БГ.

Защита от К.З. осуществляется предохранителями (ПНБ-5).

123

23 ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИКИ

Основные логические функции.

В системах автоматического управления промышленным оборудованием нашли широкое применение дискретные схемы, осуществляющие управление исполнительными органами (электродвигателями, муфтами, электромагнитами и т.д.) в соответствии с сигналами оператора или на основе информации, полученной от путевых выключателей, датчиков, реле...

Входные и выходные сигналы дискретных устройств могут принимать только два фиксированных значения, которым условно приписывают значения 0 и 1. При этом абсолютная величина сигнала существенного значения не имеет. Важно, что сигнал, соответствующий 1, превышает определенный верхний уровень, а сигнал 0 – не превосходит нижний уровень. Дискретизация сигналов управления и разделение их на два уровня позволяет применить их к исследованию схем управления теорию алгебраической логики, оперирующей с логическими переменными, имеющими два дискретных значения.

При разработке серии логических элементов выгодно иметь небольшой набор устройств, способных выполнить все логические операции, встречающиеся на практике. Подобный минимальный набор – полная система логических функций. Ее образуют три элемента И, ИЛИ, НЕ. Это следует из того, что каждая нормальная форма образуется в результате логического умножения (И), логического сложения (ИЛИ) и инверсия логических переменных ( НЕ).

Каждый логический элемент имеет условное обозначение, логическую формулу и релейный эквивалент.

Если сигнал на выходе появляется только тогда, когда сигнал на входе отсутствует, то такой элемент выполняет функцию логического отрицания,

инверсии (НЕ) (рисунок 23.1).

Если сигнал на выходе появляется только тогда, когда имеется сигнал на одном из входов, или на всех входах, то такой элемент выполняет функцию

логического сложения (ИЛИ) (рисунок 23.2).

124

Если сигнал на выходе появляется только тогда, когда имеются сигналы на всех входах, то такой элемент выполняет функцию логического умножения

(И) (рисунок 23.3).

Согласно правилу де Моргана логическое умножение всегда может быть заменено инверсией логического сложения, и наоборот. Из этого правила следует, что полная система может быть образована только двумя элементами И – НЕ или ИЛИ – НЕ.

Полные системы функций связаны между собой. Используя универсальные элементы И – НЕ (штрих Шеффера) или ИЛИ – НЕ (стрелка Пирса), можно воспроизвести все логические элементы полной системы логики. Например, реализация логического отрицания связана только с объединением входов элементов Пирса (рисунок 23.4а).

Для создания логической функции ИЛИ необходимо соединение двух элементов ИЛИ – НЕ с использованием второго элемента по одному входу (рисунок 23.4б).

Наконец, логическая функция И может быть реализована при использовании трех элементов Пирса (рисунок 23.4в), причем два первых элемента должны быть использованы по одному входу.

Простейшие логические элементы могут быть построены на диодах и резисторах. При этом используются нелинейные свойства полупроводниковых диодов – резкое различие величины прямого и обратного сопротивления.

Диодные логические элементы базируются на схемах диодных ключей. Эти элементы могут быть основаны на принципах позитивной логики, когда уровень сигнала, равного единице, положителен по отношению к уровню нулевого сигнала, или на принципах негативной логики (с инверсным соотношением сигналов).

На рисунке 23.5 показана схема позитивного логического элемента ИЛИ. Если на входах Х1 и Х2 элемента напряжение отсутствует, то на выходе оно также равно нулю. При подаче положительного напряжения, хота бы на один из выходов, соответствующий диод открывается и на выходе схемы появляется

сигнал Uвых. Легко заметить, что в образовании самой логической операции ИЛИ диоды участия не принимают. Их основная роль – развязка цепей, исключающее взаимное влияние входов.

Схема параллельного диодного ключа позволяет реализовать логический элемент И (рисунок 23.6).

В этом случае нагрузку включают параллельно диодам, которые при нулевых входных сигналах находятся в проводящем состоянии. В результате нагрузка оказывается зашунтированной малым сопротивлением диодов и

выходное напряжение равно нулю (Rвх1,Rвх2=0).

Для получения единичного выходного сигнала необходимо подать положительное управляющее напряжение на оба входа. Лишь в этом случае диоды будут закрыты, и напряжение на выходе возрастет до значения соответствующего логической единице.

125

При использовании принципов негативной логики в диодных схемах изменяется полярность подключения диодов, а также полярность входного и напряжения питания.

Диодные логические элементы отличаются простотой, но имеют следующие недостатки: отсутствие усиления приводит к тому, что при последовательном включении нескольких логических элементов, выходное напряжение постепенно уменьшается (затухает); диодные схемы не образуют систему логических функций, поскольку реализация функции НЕ на диодных ключах невозможна. Поэтому диодные логические схемы редко применяются в качестве самостоятельных логических элементов, но широко используются в сочетании с другими полупроводниковыми элементами.

Инвертор (НЕ) может быть реализован при помощи транзистора, работающего в ключевом режиме. При использовании транзистора р-n-р типа элемент НЕ образуется на принципах негативной логики с отрицательными значениями входных сигналов (рисунок 23.7). При отсутствии входного сигнала транзистор закрыт и, вследствие большого сопротивления перехода эмиттер-коллектор, выходное напряжение максимально (1). Отрицательное

входное напряжение, приложенное к базе через ограничивающий резистор R1, открывает транзистор. Его сопротивление резко снижается, и выходное напряжение падает до нуля.

На этом же принципе основан элемент ИЛИ – НЕ (Т-101 серии логики Т), состоящей из резисторного сумматора и инвертора на транзисторе (пунктир, рисунок 23.7). Такой элемент относится к резисторно-транзисторной логике

(РТЛ).

РТЛ - элементы потребляют значительную мощность и имеют слабую помехозащищенность из-за сильного взаимного влияния входов. Лучшими свойствами обладают ЛЭ (ДТЛ).

Базовые элементы ДТЛ – И-НЕ (сочетание диодной схемы И и транзисторного инвертора) и ИЛИ-НЕ (см. выше). На основе ДТЛ разработана одна из первых серий бесконтактных ЛЭ – серия “Т”, которая нашла широкое применение в промышленности. Эта серия насчитывает 21 элемент. Элементы серии делятся на четыре группы: логические элементы, элементы памяти, выходные усилители и функциональные элементы. Элементы “логики Т” относятся к категории негативной логики. Логической единицей считается отрицательное напряжение не менее 4В. Логическим нулем является отрицательное напряжение не более 1В. Элементы требуют источника питания с двумя напряжениями: - 12 и +6В (смещение). Потребляемый ток 16мА. Частота срабатывания ЛЭ 5кГц.

В настоящее время большинство ЛЭ выполняются на интегральных микросхемах, представляющих собой комплект деталей, необходимых для осуществления определенных логических функций, изготовленных по единичной технологии в виде единого изделия.

126

Гибридные интегральные схемы выполняют из отдельных микроэлементов, укрепленных на изоляционном основании. В гибридных схемах удается разместить до 500 элементов на подложке площадью 1см .

Большую плотность размещения получают в интегральных микросхемах. Эти микросхемы состоят из одного кристалла полупроводника, локальные области которого выполняют функции транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов. Интегральные микросхемы обладают высокой надежностью, малыми габаритами, массой, потребляют малую мощность. Отсутствие межэлектродных емкостей и собственных индуктивностей монтажа повышает быстродействие ЛЭ на интегральных схемах.

По своему конструктивно-технологическому исполнению и по функциональному назначению интегральные микросхемы объединяются в серии. Все микросхемы в серии согласованы по напряжению питания, входным сопротивлениям и напряжениям. Это позволяет соединить микросхемы между собой, образуя сложные дискретные устройства автоматики.

Сложность микросхемы определяется степенью интеграции , связанной

с числом элементов N: =lgN.

Микросхемы первой (малой) степени интеграции содержат до 10 элементов. Их применяют для создания простых логических элементов.

Вторая степень интеграции включает от10 до 100 элементов. Микросхемы второй степени интеграции представляют собой триггеры, регистры, сумматоры. Третья (большая) степень интеграции соответствует микросхемам, в состав которых входит от 100 до 1000 элементов. Эти микросхемы представляют собой запоминающие и арифметико-логические устройства. Четвертая (сверхбольшая) степень интеграции включает микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ, содержащие более 1000 элементов.

Транзисторная технология потребовала разработки специальных схем ЛЭ. На рисунке 23.8 приведена схема транзисторно-транзисторного логического элемента (ТТЛ) с многоэмиттерным транзистором.

Многоэмиттерный транзистор представляет собой специфический элемент интегральной технологии. Все эмиттеры объединены одним слоем базы и располагаются так, что их взаимное влияние практически исключено. Это упрощает и удешевляет производство микросхемы. Схема выполняет логическую функцию И-НЕ и по своему действию подобна ДТЛ-элементу. В этом случае переходы эмиттер-база Т1 выполняют логическую функцию И подобно входным диодам (рисунок 23.8). Коллекторный переход VT1 создает

напряжение смещения. Схема рисунка 23.8 выполнена на транзисторах n-p-n типа, т.е. позитивная логика. ТТЛ схема и достаточную помехозащищенность

(пример К155, к511).

Серия К155 состоит из большого числа интегральных микросхем, включающих ЛЭ И – НЕ, ИЛИ – НЕ, универсальные триггеры JK, задержки Д- триггер, а также расширители по функции ИЛИ.

127

Основной элемент серии – ТТЛ элемент И – НЕ с многоэмиттерным транзистором. Некоторые элементы выполнены со свободным коллектором. Это позволяет изменять характер нагрузки и улучшить согласование с ЛЭ других типов.

Вкачестве единичного логического сигнала в серии К155 применяют положительное напряжение, уровень которого больше 2,4В. Нулем является напряжение меньше 0,4В, совпадающее по величине с уровнем статической помехозащищенности схемы. Коэффициент разветвленности по входу для большинства схем равен 10, потребляемая мощность 20-150мВт. Временные параметры серии характеризуются временем задержки включения и выключения сигнала 15-20нс(соответственно). Микросхемы К155 заключены в прямоугольные пластмассовые корпуса (19*7, 5*3, 2мм), имеющие 14 выводов, масса любой микросхемы не более 1г.

Магнитнo-полупроводниковые ЛЭ.

Вдискретной автоматике широко применяют магнитные элементы, выполненные на сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса – ППГ (рисунок 23.9). Сердечники из материала с ППГ могут находиться в двух

устойчивых состояниях, соответствующих положительному +Bs или отрицательному –Bs значению остаточной магнитной индукции.

В дискретной автоматике этим состояниям условно приписывают свойства логической единицы или логического нуля. Для изменения магнитного состояния сердечник из ППГ снабжают управляющей обмоткой, создающей в сердечнике намагничивающее поле. Напряженность этого поля пропорциональна величине тока в обмотке. Поэтому сердечник с ППГ и управляющей обмоткой, по сути дела, представляет собой RS-триггер, в котором роль S-входа приписывается положительному импульсу намагничивающего тока (точнее, положительному значению напряженности

магнитного поля), а R-входа – отрицательному импульсу. Выходной величиной Q является остаточная намагниченность +Bs, -Bs.

Специфическая особенность подобного логического элемента состоит в том, что выходная информация записывается в этом случае не в электрической, а в магнитной форме, и непосредственно не обнаруживается. Считывание информации возможно только в момент изменения состояния сердечника, когда магнитная индукция изменяется, а в обмотках наводится Э.Д.С. Из этого вытекает, что в этих ЛЭ операции записи и считывания информации должны быть разделены во времени.

Схемы с последовательным включением нагрузки обычно основываются на принципе быстродействующего МУ (рисунок 23.10). Магнитный сердечник

в этом случае имеет две обмотки - рабочую Wр и управляющую Wу. В цепях обмоток действуют рабочие Uр и управляющие Uу напряжения, сдвинутые по фазе на 1800 (за счет встречного включения обмоток). Разделительные диоды VD1,VD2 включены так, что токи в рабочей обмотке и обмотке управления могут протекать только в разные полупериоды. Таким образом, работа

128

управляющей и рабочей цепи происходит в различные такты, которые называют рабочим тактом или рабочим полупериодом и тактом управления (рисунок 23.11). Величина напряжения должна быть выбрана так, чтобы обеспечить надежное перемагничивание сердечника.

Тогда при разомкнутом К цепь управления не и, в случае размагниченного сердечника, первый рабочий полупериод намагнитит

сердечник до уровня Bs, но выделение сигнала на Zн не произойдет, т.к. Zwр . Зато все последующие рабочие полупериоды выделятся на Zн (т.к. сердечник уже насыщен и, следовательно, Zwр 0). Т.е. логическому нулю на входе (К разомкнут) соответствует логическая единица на выходе.

При замыкании ключа К включается в работу Wу и поэтому каждому рабочему полупериоду предшествует управляющий, который размагничивает сердечник. Таким образом, каждый рабочий полупериод работает на цепь с Zwр и выделение сигнала на Zн не происходит. Т.е. логической единице на входе соответствует логический ноль на выходе. Схема выполняет логическую операцию НЕ.

Магнитно-диодная логика позволяет построить полную систему логических элементов.

Наряду с магнитно-диодными ЛЭ существуют магнитно-транзисторные ЛЭ, где происходит усиление выходных сигналов при помощи транзисторов. Это значительно повышает помехозащищенность элементов, увеличивает допустимый разброс параметров сердечников, источников питания, предотвращает взаимное влияние последовательно включенных элементов (поэтому необходимость в разделительных диодах отпадает).

129

130

Учебное издание

Гуляев Александр Александрович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ

В авторской редакции

Издательство:

«Центр научно-технической информации» 394000 Воронеж, просп. Революции, 30