2513

101

конкретной пары пересекающихся шин. Пересечение этих шин и определит необходимый элемент.

По шинам X,Y подают намагничивающие токи и Ix,Iy. Их величина, а также параметры сердечника подобраны так, что перемагничивание сердечника происходит только при совместном действии токов. В отдельности токи перемагнитить сердечник не в состоянии (рисунок 19.4б). Таким образом, если сердечник первоначально находился в состоянии отрицательного намагничивания (-Вs), т.е. на нем был записан логический ноль, то для записи логической единицы необходимо по шинам Х,Y пропустить положительные токи. В результате сердечник перемагнитится до +Вs. Для записи нуля по шинам Х,Y необходимо пропустить отрицательные токи. Если он первоначально уже был намагничен в отрицательном направлении, то это состояние подтверждается.

Для считывания информации сердечник снабжают специальной выходной обмоткой. На этой обмотке возникает выходное напряжение Uвых, только в этом случае, если сердечник изменяет свое магнитное состояние, перемагничивается. Поэтому для считывания информации необходимо опросить сердечник, т.е. пропустить по шинам Х,Y отрицательные токи. Если в сердечнике была записана единица, то сердечник перемагнитится и в выходной обмотке возникнет ЭДС, если был записан ноль – перемагничивание не произойдет.

При каждом считывании логическая единица, записанная в сердечнике, переходит в ноль, т.е. информация “разрушается”. Для ее восстановления необходимо по тем же шинам пропустить положительные токи, т.е. опять записать единицу.

Для уменьшения габаритных размеров запоминающих устройств необходимо уменьшать размеры тороидальных сердечников. Это повышает быстродействие, уменьшает мощность сигналов управления. Однако изготовить тороиды диаметром меньше 0,25мм не удается. Поэтому дальнейшее уменьшение габаритных размеров запоминающих устройств было получено за счет применения принципиально нового метода хранения, основанного на управлении магнитными доменами.

Наибольшее практическое применение имеют запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах, которые образуются в тонких анизотропных пленках (рисунок 19.5). Магнитная анизотропия создает направление предпочтительного, легкого намагничивания, которое расположено перпендикулярно плоскости пленки. В подобной пленке образуются змеевидные домены, намагниченные в противоположном направлении. Если на пленку наложить петлю, по которой протекает электрический ток i, то под действием магнитного поля тока змеевидный домен превратится в цилиндрический, ось которого перпендикулярна плоскости пленки.

102

Домен – логическая единица, его отсутствие – логический ноль. Цилиндрические домены образуются при строго определенной напряженности поля, чрезмерно большое магнитное поле может привести к их разрушению.

Диаметр домена составляет несколько десятков микрометров, что определяет очень высокую плотность записи информации, недоступную другим методам.

Считывание информации производят индукционным или магнитометрическим методом. В первом случае на пластину наносят дополнительную обмотку считывания (недостаток – малая величина наведенной от домена ЭДС). Во втором случае используют датчики Холла или магниторезисторы (на выходе датчика сигнал получается довольно большой величины: 0,5мВ - на датчиках Холла, 2-3мВ – на магниторезисторах).

Существуют три основные типа запоминающих устройств: ОЗУ – оперативные запоминающие устройства, в которых возможна многократная запись и считывание информации; ПЗУ – постоянные запоминающие устройства, в них информация записана постоянно и возможно только считывание и ППЗУ – полупостоянные запоминающие устройства.

В элементов памяти применяют резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и другие элементы. На рисунке 19.6 показана простейшая диодная матрица ПЗУ, предназначенная для запоминания четырехразрядных слов. Логическое состояние каждой ячейки определяется наличием или отсутствием диодов, соединяющих адресную Yi и разрядную Xi шины (рисунок 19.6). В

первой строке матрицы записан код 1001, во второй 1101 и т.д. Нелинейные диодные элементы памяти выгодно отличаются от резисторов и конденсаторов тем, что не только выполняют логические функции, но и обеспечивают развязку отдельных адресных шин. Диодные ПЗУ выполняют с применением интегральной технологии в виде однокристальной конструкции.

Большую гибкость имеют диодные матрицы, программируемые пользователем. В этом случае каждая логическая ячейка памяти выполнена в виде двух диодов Д1 и Д2, включенных встречно (рисунок 19.7). В исходном

состоянии электрическая связь между шинами отсутствует, и во всех ячейках записаны нули. Для того, чтобы записать логическую единицу между адресной

иразрядной шинами прикладывается высокое напряжение, полярность которого противоположно рабочему напряжению. Это приводит к пробою и

закорачиванию р-n перехода Д2. В результате оставшийся диод Д1 осуществляет постоянное хранение логической единицы в данной ячейке. Как

иво всяком ПЗУ, однажды записанная информация не может быть изменена. Успехи интегральной технологии позволили перейти от диодных матриц

ПЗУ к матрицам, выполненным на транзисторах (рисунок 19.8). Здесь, как и в диодной матрице, наличие транзистора в ячейке памяти означает запись единицы, а отсутствие – нуля. На рисунке 19.8 показана схема ПЗУ с использованием биполярных транзисторов. Транзисторы усиливают логические сигналы, что значительно повышает помехозащищенность ПЗУ. Существуют интегральные микросхемы, в которых матрица памяти выполнена

103

на многоэмиттерных транзисторах с объединенной базой. Очень часто интегральные схемы ПЗУ строят на однополярных МОП-транзисторах.

104

20 ТРИГГЕРЫ

Триггеры широко применяют в качестве элементов памяти, которые входят в состав многих устройств электроавтоматики. На рисунке 20.1а приведена релейно-контактная схема памяти с приоритетом включения,

которая позволяет отключать катушку реле Y при любом состоянии контакта Х1. Элемент памяти имеет два входа: один для включения, другой для выключения устройства. Функция памяти осуществляется за счет питания катушки реле через собственный замыкающий контакт, образующий цепь обратной связи.

На основании схемы логическая функция может быть записана в виде:

Простейший триггер реализуется на двух ЛЭ ИЛИ – НЕ (рисунок 20.2), охваченной обратной связью. Обычно кроме прямого выхода Y, используют

второй выход, осуществляющий инверсию функции Y2= Y1. Этот выход показан на рисунке 20.1б пунктиром. Применительно к триггерам прямой выход обозначают Q, а инверсный Q (или Р). Введение второго выхода позволяет придать схеме (рисунок 20.1б) более удобную симметричную форму (рисунок 20.2а, из которой видно, что элементы охвачены перекрестными обратными связями.

Входы триггера обозначают символами S и R, по начальным буквам английских терминов set – установка, reset – сброс. При этом имеют в виду установку и сброс сигнала на прямом выходе Q. Подобное устройство получило название RS – триггеры. Работа триггера может быть проиллюстрирована при помощи таблицы переключений, разделенной на такты (n-1) и n (Таблица 2).

Пусть в исходном состоянии триггера логические сигналы на RS – отсутствуют. При этом на прямом выходе Q в такте (n-1) может существовать произвольный сигнал, т.е. Qn-1=0 или Qn-1=1.

В первом случае логический сигнал S=1 производит переключение Qn=1, т.е. логическое состояние изменится на обратное, во втором случае переключение не произойдет и на выходе Q сохраниться единичный сигнал.

105

Сигнал, поданный на вход R устанавливает на выходе Q логический ноль. Если в такте (n-1) выход Qn-1=1, то произойдет переключение триггера.

Одновременное включение единичных сигналов на оба входа приводит к неопределенному состоянию триггера (тильда). Поэтому на входные переменные должно быть наложено условие RS=0. По правилам логического умножения значение R=1, S=1 при этом исключаются.

Логическое состояние триггера можно также характеризовать при помощи карты Карно.

Асинхронный RS – триггер может быть реализован и при помощи элементов И-НЕ, в нем значения R=0 и S=0 исключаются. Поэтому данный триггер часто называют RS-триггером с инверсными входами.

При работе асинхронных триггеров необходимо учитывать длительность переходных процессов в отдельных элементах схемы. При этом возможно нарушение логических связей, обусловленное тем, что выходные сигналы обратной связи различных элементов образуются не одновременно. Эти явления – состязания или гонки. Вследствие гонок нарушается нормальная работа устройства и появляются ложные сигналы на его выходе. Эти недостатки устраняются в синхронных многотактных устройствах, где отрезки времени, связанные с гонками, исключаются, а логические связи в схеме в такие моменты не образуются. Практически это достигается использованием тактирующих импульсов.

Вариант тактируемого RS-триггера на ИЛИ – НЕ приведен на рисунке 20.3. Здесь на входах триггера включены два ИЛИ – НЕ. Эти элементы образуют схему совпадения с инвертированным выходом. Поэтому на вход

тактируемого триггера необходимо подавать инверсные сигналы R и S . Обычно синхронные триггеры имеют дополнительные входы, используемые для предварительной установки триггера в исходное состояние Q=0. Эти входы показаны пунктиром на рисунке 20.3а.

JK – триггеры по принципу действия аналогичен RS-триггеру, но не имеют неопределенности при одновременной подаче единицы на входы. Вход J используют для установки единицы, K – для сброса единицы, установки нуля на выходе Q. JK – триггер можно получить из RS путем введения дополнительных входных элементов, охваченных обратной связью и образующих схему управления триггером. Управляющие сигналы на этих элементах обозначают J и K, что и соответствует наименованию триггера. JKтриггер на ИЛИ-НЕ изображен на рисунке 20.4. Наличие операции НЕ требует подачи на вход триггера инверсных J, K.

JK-триггер имеет симметричную структуру и является универсальным. На его основе могут быть получены триггеры другого типа.

В синхронных Т-триггерах объединенный вход Т используют в качестве счетного. Каждый управляющий сигнал, совпадающий с тактирующими импульсами изменяет состояние триггера на противоположное.

106

Большое значение имеет D-триггер, представляющий собой элемент памяти с одним входом, предназначенный для запоминания логических сигналов. Его часто называют триггером задержки, в виду того, что значение переменной на его выходе повторяет значение переменной на входе в предыдущем такте.

Синхронные тактируемые триггеры часто выполняют при помощи двух триггеров – главного М и вспомогательного S. При этом такую систему называют MS – триггером.

Дешифраторы предназначены для распознавания кодовых комбинаций и преобразования произвольного кода в код “1” из “n”. Каждому номеру из n выходов однозначно соответствует определенный входной код. Сигнал на этом выходе появляется только в том случае, если входные сигналы составляют определенную кодовую комбинацию.

Счетчики – применяют для подсчета импульсов, поступающих на его вход в унитарном коде. Наиболее распространены двоичные и десятичные счетчики, осуществляющие пересчет импульсов в двоичной и десятичной системах исчисления. Счетчики – типичные последовательные устройства, работающие в счетном режиме.

Сумматоры – применяют для сложения двух многоразрядных двоичных кодов в логической части дискретных устройств автоматики.

Все эти устройства создаются, в основном, на основе триггеров или, в конечном счете, на основе логики элементарного ряда.

Существуют устройства со специальными конструктивными решениями, выполняющие функции триггера и др. (см. “Промышленная электроника”, курс 5 семестра).

107

21 МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ (МУ)

МУ – это статическое электромагнитное устройство, состоящее из сердечника и наложенных на него обмоток, а также включенных в цепи обмоток резисторов и вентильных устройств. МУ широко применяются в точных измерительных небольшой мощности (несколько ватт), в схемах автоматического управления крупными энергетическими установками (сотни тысяч ватт), для управления двигателями постоянного и переменного тока, релейной защиты, сигнализации, сортировки; в вычислительных машинах, автоматах и т.д.

МУ обладают следующими достоинствами:

1 Высокая надежность (нет движущихся частей, не боятся перепадов температур, давления, влажности).

2Практически неограниченный срок службы.

3Немедленная готовность к работе.

4Возможность усиления очень слабых сигналов (10 Вт).

5Возможность питания от сети 50 Гц.

6Простота суммирования большого числа входных сигналов.

7Неограниченная выходная мощность (до сотен тысяч кВт).

8КПД выше, чем у других усилительных устройств.

9Большой коэффициент усиления по мощности (К до 10 ).

10Относительно небольшая инерционность (0,01с) при большом К .

11На высоких частотах (f>400 Гц) меньшие габариты по сравнению с ламповыми усилителями.

12Относительное постоянство характеристик во времени и независимость от температуры окружающей среды (до 10%).

13МУ исключительно устойчивы против режима самовозбуждения.

Вобщем случае, независимо от типа усилителя, принцип усиления состоит в том, что входной сигнал управляет энергией источника питания, мощность которого значительно превосходит мощность усиливаемого сигнала.

Для осуществления усиления необходимо устройство, обладающее нелинейной характеристикой и чувствительное к изменению подводимого сигнала. В МУ таким чувствительным элементом является индуктивность со стальным сердечником. Дроссель переменного тока со стальным сердечником обладает свойством резко менять индуктивность рабочей обмотки при подмагничивании постоянным током. На этом свойстве дросселя переменного тока и основано действие всех современных МУ. Рассмотрим работу простейшего магнитного усилителя, называемого дроссельным, принципиальная схема которого представлена на рисунке 21.1.

На рисунке 21.1а изображен дроссель, питаемый переменным током с

частотой р и подключенный к источнику питания U р через сопротивление нагрузки Rн.

108

При условии Rн<<X р, где X р – индуктивное сопротивление дросселя, в нагрузке потечет ток, значение которого определяется величиной

индуктивного сопротивления дросселя I р=U р/X р. Индуктивное же сопротивление дросселя зависит от уровня постоянного подмагничивания, создаваемого второй обмоткой (управления) - wу, питающейся от источника постоянного тока. Чем больше будет значение постоянного тока, т.е. больше напряженность подмагничивающего поля, тем меньше будет магнитная

где S – сечение сердечника (const);

lст – длина средней силовой линии (const).

Таким образом, с помощью небольших изменений постоянного тока можно управлять значительными изменениями тока в цепи нагрузки.

Однако приведенная схема простейшего дроссельного МУ имеет два существенных недостатка.

Во-первых, переменный ток в нагрузке имеет сильно искаженную форму (см. рисунок 21.1б), т.е. имеют большие нелинейные искажения.

Во-вторых, в обмотке управления индуцируется переменная ЭДС, которая сильно искажает работу МУ в целом. Для ограничения наводок в цепях

управления приходится включать гасящий дроссель Lу большой индуктивности, что приводит к сильному снижению быстродействия усилителя. Можно включать также дополнительное гасящее сопротивление Rу, но это также не всегда приемлемо, т.к. при этом сильно возрастает мощность, затрачиваемая источником управляющего сигнала. Поэтому реальная схема МУ несколько сложнее. Широкое распространение получила схема с раздвоенными сердечниками и раздвоенными обмотками (рисунок 21.2).

Здесь одинаковые секции рабочей обмотки Wр', Wр'', соединены последовательно и согласно, а одинаковые секции управляющей включены последовательно и встречно (точкой обозначены начала обмоток). Такое включение секций обмоток приводит к тому, что переменные ЭДС, наведенные в Wу', Wу'' имеют встречную направленность и суммарная ЭДС в обмотке управления равна нулю. Кроме того, в один полупериод питающего

напряжения U р' и U р'' складывается в одном сердечнике и вычитаются в другом; в следующий полупериод сердечники меняются местами. Таким

образом, в оба полупериода обе рабочие секции Wр' и Wр'' действуют на U р' совершенно одинаково, следовательно обе полуволны рабочего тока будут симметричны, а значит значительно уменьшатся и нелинейные искажения. Из рисунка 21.2 видно, что в любой момент времени в средних частях

магнитопровода магнитные потоки от секций управляющей обмотки Wу

109

направлены в одну сторону, а потоки в разные. Поэтому естественным развитием схем МУ явилось появление схемы на Ш-образном сердечнике с раздвоенной рабочей и объединенной управляющей обмотками (рисунок 21.3). В схеме с напряженным включением обмоток переменного тока (рисунок 21.3)

вкаждой из обмоток постоянного тока индуцируются одинаковые по величине и противоположные по направлению ЭДС, которые взаимно компенсируются. Недостатком схемы является наличие замкнутого контура в рабочей цепи, что резко ухудшает быстродействие усилителей такого типа. Рассмотренные МУ имеют довольно простую конструкцию и поэтому нашли широкое применение

вкачестве мощных усилителей (Рвых>100 кВт). Конструкция МУ определяется типом применяемого сердечника (С,П,Ш,Г,М). В настоящее время широкое применение находят МУ на тороидальных сердечниках, которые более экономичны в изготовлении. Тороидальный сердечник выполняется из тонкой (до 10 мкм) пермаллоевой ленты и помещаются в специальные противоударные каркасы (т.к. от удара пермаллой теряет свои магнитные свойства).

Установившийся режим идеального МУ.

Впредыдущем разделе рассмотрены в основном физические основы работы идеального магнитного усилителя. Однако во многих случаях (особенно для вывода математических соотношений МУ) используют принципы линеаризации или идеализации МУ, облегчающие анализ и получение основных соотношений.

Впервом случае магнитная проницаемость в течение периода питания принимается постоянной, и МУ рассматривают, как линейную управляемую индуктивность, причем реальные несинусоидальные индукции, напряженности, напряжения и токи заменяют эквивалентными синусоидальными, что облегчает методику расчета.

Во втором случае считается, что в идеальном сердечнике МУ нет гистерезиса и рассеяния магнитного поля. Кривая намагничения заменяется тремя отрезками прямых (рисунок 21.4). Для такого сердечника при

амплитудном значении переменной составляющей Вm меньшем значении индукции насыщения Вs и отсутствии постоянной составляющей В0 (от обмотки Wу) требуется бесконечно малое значение напряженности для получения заданного изменения магнитной индукции, т.е. д=dB/dH=0. Это значит, что ток по обмотке не протекает (т.к. Lд= ) хотя к обмотке приложено напряжение U р. Наоборот, при Вm>Вs, д=0, Lд=0 и ток в нагрузке определяется только величиной Rн.

Для МУ с раздвоенными обмотками величину Вm выбирают ниже уровня Вs и поэтому изменение индукции в сердечнике при отсутствии тока управления пойдет по синусоидальному закону (рисунок 21.5,пунктир). При подаче тока управления в сердечнике будет создаваться магнитное поле, направление которого относительно переменного магнитного поля различно в

110

различных сердечниках. При достижении В1 и В2 значений Вs синусоидальное изменение индукции прекращается. Очевидно, что с начала полупериода до

момента насыщения первого сердечника при wt= н все напряжение питания будет приложено к рабочим обмоткам, а остальная часть полупериода к нагрузке. В другой полупериод этот процесс повториться, но сердечники поменяются ролями, т.е. в насыщение будет входить второй сердечник. Таким образом, в интервале управления оба сердечника не насыщены, а в интервале насыщения один насыщен, что приводит к постоянству потока и в другом сердечнике.

Как видно напряжение на нагрузке при н скачком достигает установившегося значения, затем изменяется по синусоидальному закону. Угол

н (угол насыщения) определяется величиной В0, т.е. напряжением управления. Таким образом, рассмотрение работы идеального МУ показывает, что МУ действует не только в виде управляемой индуктивности (как в случае рассмотрения работы реального или лианеризированного МУ), но и как магнитный переключатель, который периодически подключает нагрузку к питания в моменты, фиксированный относительно начала полупериода и определяемые величиной управляющего сигнала.

Нагрузочная характеристика идеального МУ – зависимость тока в нагрузке от тока управления. Iн=f(Iу) определяется условием поочередной

Это, так называемый, трансформаторный закон МУ, который показывает, что ток в нагрузке пропорционален току управления и не зависит для идеального МУ от частоты, напряжения источника питания и величины

сопротивления нагрузки. В трансформаторном законе ток Iу берется по абсолютному значению, т.е. при изменении его направления управляемая индуктивность Xwp не может менять своего знака. Поэтому все выше приведенные схемы МУ являются нереверсивными (нейтральными, однотактными), не чувствительными к знаку Iу. Управление справедливо при

0, т.е. при непрерывном увеличении тока управления ток в нагрузке не может неограниченно возрастать. Из трансформаторного закона легко определить коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности

KP .