книги из ГПНТБ / Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения

о т к у д а

После некоторых преобразований это выражение можно предста­ вить в виде

получим

Как видим, это выражение полностью тождественно выражению (70) для Ясм, полученному по методу для наихудшего сочетания па­ раметров в предположении, что (1—8,)= е'Ь', (УбзО+Зг) = [/бзмакс, (1+83) = г".

§11. Основные расчетные соотношения

врезисторно-транзисторном логическом элементе. ИЛИ-НЕ1

щиеся открыть его. Ток помехи, действующий на отпирание, обус­ ловлен тем, что потенциалы коллекторов управляющих транзисто­ ров [/ко несколько ниже нуля, в то время как потенциал базы закрытого управляемого транзистора должен быть положитель­ ным. В результате этого между коллекторами управляющих тран­ зисторов и базой управляемого существует некоторый ток, пони­ жающий потенциал базы транзистора Т1.

Как видно из эквивалентной схемы,

/см = /ко~|_/по

где m — число входов ИЛИ инвертора. Ток смещения

А С

1 Методика расчета резисторно-транзисторного элемента ИЛИ-HE при на­ ихудших сочетаниях параметров предложена С. М. Доманицким и И. В. Прангишвили |"5].

50

При открытом транзисторе расчетным является условие, что сигнал 1 поступает только на один из входов схемы рис. 31, а на другие m — 1 входы поступает сигнал 0. Управляющий инвертор нагружен полностью на п управляемых, так как в этом случае напряжение на его коллекторе наименьшее. Ток в цепи базы тран­ зистора Т1

1 6 ” / с о / СМО / ПЗ { p i 1)» ( $ 2 )

51

о т к у д а

Подставив выражение (84) в (86), а также (87) в (83), полу­ чим

Продифференцировав это выражение и решив его относительно Rc, определим [5] оптимальную величину Rcопт» при которой ток в базе открытого транзистора будет .максимальным (при за­ данном RK) :

коллекторе открытого транзистора, которое является максималь­ ным допустимым для схемы.

Расчетное значение коэффициента усиления

Пользуясь приведенными соотношениями и вводя в расчетные уравнения необходимые допуски на параметры, можно осущест­ вить оптимальный расчет элемента ИЛИ-HE, учтя наихудшее сочетание условий.

§ 12. Сравнение систем элементов с резисторными и диодными связями

Использование типовых наборов только из элементов И-НЕ или ИЛИ-HE приводит к перерасходу транзисторов при выполне­ нии сложных логических операций. Более целесообразным для осуществления, например, операции «И-ИЛИ-НЕ» является эле­ мент, состоящий из схем И-НЕ или ИЛИ-НЕ и диодной приставки

И (см. рис. 27).

Элемент ИЛИ-HE на резисторах, рассчитанный на оптималь­ ные параметры (без учета работы с диодными приставками), практически неприемлем при работе с диодными схемами: значи-

52

тельно возрастает ток помехи, действующий на отпирание, вслед­ ствие большой величины прямого падения напряжения на диодах

схемы И.

Действительно, воспользовавшись параметрами элемента И ЛИ-НЕ R K= 820 Ом; Rc = 1,2 кОм; RCM= 3,0 кОм (при Есм = ЗВ и Е к = = 12В), найдем ток помехи:

ml по

ТТ1(Uко + 17дс макс)

Rc

Приняв UK= 0,15В, a UAСМакс= 0,34-0,5В в зависимости от типа применяемых диодов, получим при т = 3

Еще в большей степени помеха возрастает при использовании кремниевых диодов и кремниевых транзисторов.

В этом случае при 7/ДСмакс = 0,7-f-0,8В и (/ко= 0,34-0,4В

При этом необходимо значительно увеличивать Rc и умень­ шать Дсм, что приводит к существенному снижению коэффициента разветвления. Более целесообразно подключать диодную пристав­ ку И к инвертору через разделительный диод (рис. 32), как это выполнено, например, в системе элементов «Логика» (ЭТ). Схема рис. 32 и схема типового набора элементов И-ИЛИ-НЕ, выполнен­ ная на элементе И-НЕ с диодными приставками (см. рис. 27, б), в этом случае совершенно одинаковы, за исключением того, что в схеме рис. 27, б включен диод Дк вместо резистора Rc в схеме рис. 32.

Наличие резистора Rc приводит к значительному снижению ко­ эффициента кпв во входной цепи и соответствующему снижению коэффициента кр по сравнению с аналогичными величинами схемы рис. 27, б. Так, для схемы рис. 32

(/сыз /ко) /?с~(7смо /ко) Rl

53

Тогда

где <Ш/К0 = IxoiR + Rc).

(£-) для напряжений питания 8,12 и 24В равно соответственно

1,4; 2; 3 (следует учесть, что сопротивление R диодной схемы И равно nRK, где R K— сопротивление цепи коллектора транзистора в случае, если управление осуществляется без диодной схемы). При этом для германиевых транзисторов в случае напряжения питания 8,12

и 24В соответственно кпВ8 = 0,05+0,17, к 'в12 = 0,2+0,3, я„в24 = 0,4-г -АО,5, для кремниевых (при Д£Лко ~ 0 ) — соответственно 0,14+0,2;

0,27+0,33 и 0,5.

Как видим, коэффициенты передачи в схеме с резисторными связями при работе с диодными приставками И, даже если име­ ются разделительные диоды, значительно ниже, чем в схеме рис. 27, б, где в аналогичной ситуации применяются компенсирую­ щие диоды Дк (либо низковольтный стабилитрон). Эта разница особенно существенна при малых значениях Е§, что имеет боль­ шое значение для интегральных схем, где напряжения питания обычно малы.

Важная особенность элементов с диодными связями —харак­ тер изменения мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе транзистора в момент переключения. В режиме насыщения эта мощность Pko~ U ko /кн«3+10 мВт. Ей соответствует точка а на

54

выходной характеристике (рис. 33). В момент начала закрытия: диодов связи Uбо~0. Мощность на коллекторном переходе

элемента с резисторными связями. Как видно, в момент переклю­ чения мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе в элемен­ тах с диодной связью, существенно меньше. Характерным для эле­ ментов с диодными связями является то, что при отключенной на­

Сопротивление резисторов R K в элементах с резисторной связью рассчитывают всегда на максимальное число выходов п. Поэтому по­ требление тока в цепи коллектора не зависит от числа реально под-

Если учесть, что в сложных системах существуют некоторые вероят­ ности Ри Р2, Я3, ..., Рк появления элементов с 1, 2,..., кр нагруз­

ками (где кр—допустимый коэффициент разветвления), то потребление

55

тока коллекторного питания логическими элементами системы в

где « — общее число элементов; / — ток одной нагрузки.

Для элементов с резисторными связями

К

/кВ = n l K ^1P i ---- tl/ К р .

«р

Так как2*Рг < кр, то полное потребление системы с диодными

1

связями может быть существенно меньшим. Это уменьшает внутрен­ ний перегрев элементов схемы и повышает ее надежность.

При определении надежности системы следует учитывать так­ же, что при выходе некоторых параметров элемента с резисторной связью (например, уменьшение В) за пределы допусков отказ в нем неизбежен, так как нагрузка его всегда максимальна. В си­ стеме с диодными связями такое изменение могло произойти в элементе с нагрузкой, меньшей допустимой, и отказа его при этом не происходит. Элементы с предельной нагрузкой могут со­ ставлять в системе 10—30%, что понижает вероятность отказа по этим критериям в 3—10 раз.

На первый взгляд представляется, что надежность элемента ИЛИ-HE выше, чем элемента И-НЕ, так как в первом, кроме тран­ зистора, используются только резисторы, а во втором — большое число диодов. Параметр потока отказов для элемента ИЛИ-НЕ

A s — Л т + 5 Л я -г 1 3 : \ п.

Для элемента И-НЕ

As = Лх т ЗА# -}- 4АД+ 17ЛП,

где Лт, Ля,— параметр потока отказов соответственно транзистора, Лд, Лп резистора, диода, пайки.

Для сравнения надежность всех комплектующих деталей и паек приведена к надежности транзистора на основе данных, по­ лученных при эксплуатации систем ЭСТ-62:

Л;р2 = Лт + 5-0,015Лт • 13 • 0,01ЛТ= 1,2ЛТ;

-Acps = ЛХ+ 3-0,015Лт-И.0,03Лт+ 17-0,01ЛХ= 1,ЗЗЛТ;

Л 2 _ 1,ЗЗЛТ_ . .

Л2 1,2ЛТ

об

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ili ТРАНЗИСТОРНЫХ

ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХСЯ СХЕМ

§ 13. Особенности помехоустойчивости транзисторных систем ЭСА и ТУ

Применение электронных управляющих устройств привело к возникновению специфической проблемы обеспечения их необхо­ димой. помехоустойчивости. Особенно большое значение проблема помехоустойчивости .приобретает в устройствах автоматики и ре­ лейной защиты, управляющих ответственным технологическим процессом. От различных устройств передачи информации и теле­ механики эти устройства отличаются тем, что часто не имеют ин­ формационной избыточности, в них обычно используют простей­ шие некодированные бинарные сигналы. Поэтому практически основным методом защиты их от помех является обеспечение неко­

турными) либо внешними причинами. Схемные помехи обуслов­ лены неидеальностью переключательных характеристик применяе­ мых электронных приборов, падением напряжения в шинах пита­ ния и др. Внешние помехи возникают в результате работы элект­ ромагнитных аппаратов: реле, контакторов, магнитных пускате­ лей, выключателей двигателей, силовых выпрямительных устано­ вок и др.

Коммутационные процессы, возникающие при работе различ­ ных электромагнитных аппаратов, воздействуют на электронную аппаратуру преимущественно через близкорасположенные соеди­ нительные цепи систем управления. Это имеет особое значение, так как устройства автоматики и телемеханики в отличие, например, от устройств вычислительной техники управляют большим числом территориально разбросанных аппаратов и имеют поэтому боль­ шое число соединительных линий значительной протяженности (иногда достигают сотен метров).

В различных управляющих электромагнитных устройствах не приходилось сталкиваться со столь сильным влиянием помех, так как реле являются медленнодействующими и потребляют значи­ тельные мощности в цепи управления по сравнению с электронны­ ми приборами. Так, если время срабатывания большинства элект­ ромагнитных реле определяется несколькими десятками милли­ секунд, то различные спусковые схемы на полупроводниковых при­

58

борах, даже низкочастотные (медленнодействующие), применяе­ мые в устройствах автоматики и телеуправления, могут сработать от импульсов длительностью в единицу и даже доли микросекунд.

Борьба с помехами в электронных управляющих системах пред­ ставляет трудную техническую задачу. Многие вопросы помехо­ устойчивости разработаны еще недостаточно.

§ 14. Помехи, вызванные неидеальностью характеристик элементов схем

Транзистор переключается из закрытого положения в откры­ тое при изменении потенциала на его базе от 0 до 0,2—0,6В. Этим объясняется чувствительность транзистора к некоторым статическим и динамическим помехам, обусловленным неидеаль­ ностью ключевых характеристик.

Помехи, вызванные неидеальностью ключевых характеристик диодов и транзисторов. В переключающихся схемах, выполненных на транзисторах с заземленным эмиттером, за сигнал 0 принимают потенциал эмиттера (потенциал 0). Обычно остаточное напряже­ ние Um на коллекторе насыщенного транзистора составляет 0,1— 0,4В. Это напряжение равно уровню реального сигнала 0, дейст­ вующего в схемах. Разница между реальным и принятым уровнем сигнала 0 (либо 1) представляет собой помеху.

Практически в диодно-транзисторных схемах нужно учесть еще падение напряжения на диодах связи, через которые сигналы по­ ступают на вход транзистора. Обычно полупроводниковые диоды разных типов имеют падение напряжения от 0,3 до 1,2В, поэтому напряжение при сигнале 0, поступающее на вход транзистора,

равно 0,4—1,6В.

Способы предотвращения действия этой помехи обычно осно­ ваны на образовании между базой и входным диодом компенсирую­ щего падения напряжения и для диодно-транзисторных схем подробно изложены в главе II.

Чтобы определить влияние на величину помехи разницы в значении Нд различных диодов, рассмотрим, как работает схема рис. 34, а. При сигналах 1 на входах диодов происходит заряд кон­ денсатора С до напряжения Uc, причем потенциал со стороны левой обкладки конденсатора будет равен— Uc- После окончания

импульсов сигналов), В отдельные моменты времени в зависимости от наличия им­

пульсов на входах потенциал точки 1 меняется на величину Аи я= = и д~ и Л] (см. рис. 34, б). В результате на выходе появляется

59