Буль Б. К., Буткевич Г. В., Годжелло А. Г., Кураев В. Г.,
Лысов Н. Е., Сахаров П. В., Сливинская А. Г.,
Таев И. С., Чунихин А. А., Шопен Л. В.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
*** 1970 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Транзисторные логические элементы выполняются на полупроводниковых триодах и обычных диодах (любых типов).
Известны различные схемы транзисторных элементов [6.27, 6.40]. Принцип действия и принципы построения основных транзисторных логических элементов рассмотрим на примере одной из наиболее распространенных схем на триодах типа р-п-р. Основой построения рассматриваемых элементов является однокаскадный усилитель на одном триоде по схеме с общим эмиттером (рис. 6. 74, а). К напряжению питания Ек последовательно включены триод Т и коллекторное сопротивление нагрузка (показана пунктиром) включается параллельно триоду; напряжение базового смещения Еб с помощью делителя на сопротивлениях Rt и R2 обеспечивает отсечку триода (напряжение щ на сопротивлении Rх) при отсутствии (и даже при небольшом отрицательном значении) входного сигнала еу\ кроме того, сопротивление Rx ограничивает входной сигнал. При линейной аппроксимации характеристик триода (см. V) характеристика вход — выход такого усилителя при отсутствии нагрузки (на рис. 6.74, б показана жирными линиями) в отличие от характеристики икэ = икэ (еу) простейшего однокаскадного усилителя (рис. 6. 49, б) будет смещена влево относительно начала координат на величину падения напряжения иг на сопротивлении R1 от напряжения базового смещения Еб (см. рис. 6. 74, б). И если входной сигнал еу будет таким, что триод окажется в отсечке, то триод будет заперт и на выходе будет сравнительно высокое напряжение UK30 (условно уу = 1). Если же на входе будет достаточный сигнал, обеспечивающий насыщение триода, то триод будет полностью открыт и на выходе будет сравнительно малое * При последовательном включении элементов вместо Ru (рис. 6.73) включается входная обмотка последующего элемента. (условное обозначение показано на рис. 6.74, а2) будет выполнять логическую функцию «НИ-НИ» (см. табл. 6.10) на столько входов, сколько сопротивлений R1 будет включено в параллель. Действительно, выходной сигнал уг = 1 (триод закрыт) будет только в том случае, если по всем входам сигнал равен нулю (хг = х2 = 0). Если хотя бы по одному из входов будет сигнал «1», триод откроется и станет уг = 0. Элемент «НИ-НИ» можно получить, включив «диодную сборку» на один вход (показано пунктиром на рис. 6.74, а). Число входов будет равно числу диодов в «сборке». С помощью одних таких элементов «НИ-НИ», как известно (см. § 6. 1), можно выполнить любую логическую функцию (или схему). На рис. 6. 74, в показано включение элементов, обеспечивающее функцию «ИЛИ»*. Выход первого элемента «НИ-НИ» включается на вход элемента «НЕТ» (используется только один вход второго, основного, элемента «НИ-НИ»), В результате, если входные сигналы отсутствуют хг = = 0, триод элемента 1 закрыт, на выходе его будет достаточное отрицательное напряжение, открывающее триод элемента 2, и поэтому, на выходе у г = 0. Если поступит единичный входной сигнал хотя бы по одному из входов, триод первого элемента откроется, а второго, за счет смещения на базе, закроется и на выходе элемента появится единичный сигнал. Очевидно, при использовании одного входа элемент будет повторителем (уг = ху). На рис. 6. 74, г приведена схема элемента «И». Элемент состоит из элемента «НИ-НИ» (2) и инверторов, количество которых равно числу входов элемента 2. Сигнал на выходе /у, = 1 будет в том случае, если по всем входам триода элемента 2 будет «0», т. е. все триоды элементов 1 открыты, для чего на всех входах должен быть единичный сигнал хг = хг — 1. Если отсутствует один из входных сигналов, то триод соответствующего элемента 1 будет закрыт, и его отрицательный выходной сигнал откроет триод элемента 2, на выходе будет ух = 0. Для уменьшения общего числа триодов в схеме управления часто оказывается целесообразным на один вход основного элемента включать «диодную сборку» по схеме рис. 6. 74, д. В результате получается элемент, выполняющий логическую функцию «И+ НЕТ». Действительно, все триоды предшествующих элементов, подключенные на входы сборки (триод, включенный на один из входов показан пунктиром), имеют в этом случае одно общее коллекторное сопротивление RK («собственное» коллекторное сопротивление триода в этом случае к напряжению питания не подключается), и на входе основного элемента (точка 1) сигнал будет равен «1» только тогда, когда будут закрыты триоды на всех входах (условно по всем входам «1»); тогда триод основного элемента * Все элементы имеют общие источники питания, и включение элементов друг с другом осуществляется непосредственным соединением соответствующих выходных и входных хг, х2 клемм. открывается и yi — 0. Если же хоть один триод на входе будет открыт, будет открыт соответствующий диод «сборки», потенциал точки 1 будет весьма мал (на входе основного элемента условно «0»), триод основного элемента будет закрыт и ух = 1. Если на выход такого элемента включить еще один основной элемент (как инвертор, с одним входом, на рис. 6.74, д показан пунктиром), то получится элемент «И» ш двух триодах с числом входов, равным числу диодов в «сборке». Функциональный элемент триггер (память) выполняется на двух основных элементах, как показано на рис. 6. 74, е. Выход элемента 2 подается на один из входов элемента 1, образуя положительную связь. Таким образом, триоды элемента 1 и 2 образуют двухкаскадный усилитель с коллекторной обратной связью, обладающий (см. § 5. 1, Б) при определенных условиях двумя устойчивыми состояниями: если первый триод (элемент 1) открыт, то второй (элемент 2) закрыт или наоборот. Поэтому сигнал по первому входу хх = 1 открывает триод первого элемента и закрывает триод второго элемента, в триггере записывается единица (ух = 1). Сигнал по второму входу х2 = 1 открывает триод второго элемента, закрывая триод первого, и в триггере записывается нуль (ух = 0). На базе основного элемента выполняются и иные логические и функциональные элементы — триггер со счетным входом, элементы времени и др. Расчет транзисторных элементов сводится в основном к расчету соответствующих транзисторных усилителей, работающих, как правило, в ключевом режиме. Особенности расчета транзисторных логических элементов см., например, в [6.40, 6.41, 6.42]. Транзисторные логические элементы, подобные приведенным на рис. 6.74, выпускаются отечественной промышленностью [6. 41, 6. 42]. Набор промышленных элементов состоит из основного элемента, диодных приставок, различных функциональных элементов и блоков питания. Следует подчеркнуть, что в связи с большими достижениями в области производства полупроводников и полупроводниковых приборов в последние годы все большее значение в различной аппаратуре автоматики, телемеханики, вычислительной и измерительной техники преобретают именно полупроводниковые элементы, основащ-ные на различных полупроводниковых приборах. В заключение отметим, что при разветвленной логической схеме целесообразно, чтобы логические элементы были небольшими и потребляли мало энергии. Поэтому выход логического элемента обычно маломощный и недостаточен для включения исполнительных устройств. Для усиления сигнала логического элемента используются специальные усилители (например, магнитные, полупроводниковые или контактные реле). После усиления сигнал подается на исполнительное устройство. В комплектах промышленных элементов часто специально предусмотрены поэтому промежуточные усилители. А. Особенности механизмов аппаратов [7.1,7.2,7.3] При изучении движения механизма аппарата необходимо рассматривать два резко отличающихся процесса — включение и отключение аппарата. В процессе включения аппарата движущие силы преодолевают сопротивления движению, в том числе полезные, например силы нажатия коммутирующих контактов аппарата. В обратном процессе, т. е. при отключении аппарата, движущими силами обычно становится часть из них, которые были при включении противодействующими, например контактные и возвратные пружины, часто вес подвижных частей аппарата. Силы же, возникающие от трения и от инерции, изменяют направление и становятся опять противодействующими. В конце движения иногда в действие вводятся буферно-противоударные элементы, чтобы поглотить кинетическую энергию, накопленную массами звеньев механизма в стадии его пуска-разгона. Б. Основные требования, предъявляемые к механизмам аппаратов 1. Механизм должен обеспечивать необходимые величины кинематических параметров исполнительного органа — хода, угла поворота и, в частности, у коммутационных аппаратов — раствора и провала контактов. 2. Движущие силы механизма должны обеспечивать включение и отключение исполнительного органа. У коммутационных аппаратов эти функции механизм должен выполнять как при нормальной работе аппарата, так и в самых тяжелых условиях работы аппарата, например при действии электродинамических сил оттоков короткого замыкания. 3. Скорость исполнительного органа механизма должна обеспечивать выполнение аппаратом его функций. Например, у коммутационных аппаратов высокого напряжения скорость подвижных контактов при их замыкании должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить меньшее время горения дуги при предварительном пробое дугового промежутка. Вместе с тем скорость не должна быть чрезмерно большой, чтобы не возникла недопустимая вибрация контактов (п. 5). При размыкании контактов скорость их движения должна обеспечивать гашение дуги за требуемое время. 4. Механизм должен обеспечивать необходимое время действия аппарата. У большинства аппаратов автоматического управления время включения и отключения должно быть возможно меньшим. У некоторых же аппаратов автоматики, например у реле времени, наоборот, этот параметр не должен быть малым и должен регулироваться в определенных пределах. 5. Механизм должен в ряде случаев иметь буферно-противоударные элементы для поглощения кинетической энергии, накопленной массами звеньев механизма в процессе движения. Эти элементы необходимы для предотвращения сильных ударов и вибраций. Удары приводят к повышенному износу и поломкам частей аппарата. Вызываемые ударами вибрации, например у коммутационных аппаратов, приводят не только к повышенному износу коммутирующих контактов, но и к обгоранию и даже свариванию их вследствие возникновения дуги. 6. Звенья механизма должны быть достаточно жесткими и прочными при необходимых воздействующих на них силах, в том числе при самых тяжелых условиях работы аппарата (п. 2). 7. Механизм должен быть надежным, возможно простым, достаточно точным, технологичным, должен быть приспособлен к осмотру и ремонту, должен быть экономичным в производстве и эксплуатации. В. Основные части механизмов аппаратов В аппарате, имеющем подвижные элементы, весь его механизм обычно имеет четыре основные части: 1. Приводной механизм, называемый часто привод, который создает движущую силу или движущий момент сил. 2. Передаточный механизм. 3. Исполнительный механизм, для функционирования которого и существует аппарат. У аппаратов, предназначенных для коммутации электрических цепей, исполнительным механизмом является контактная система. 4. Буферно-противоударный механизм или обеспечивающий выдержку времени. Ряд аппаратов таких механизмов не имеет, а некоторые из них, например электромагнитный контактор, может иметь два приводных механизма: электромагнитный, осуществляющий включение контактора, и пружинный для отключения контактора. § 1.2. ПРИВОДНЫЕ МЕХАНИЗМЫ А. Виды приводных механизмов В электрических аппаратах применяется несколько видов приводных механизмов. Наибольшее распространение получили следующие: электромагнитные (рассмотрены в гл. разд. 4); пружинные; грузовые, действующие от силы тяжести подвижной части аппарата; пневматические; электродвигательные; ручные; ножные; механизмы, не являющиеся частью данного аппарата; комбинированные из вышеуказанных. Б. Характеристики сил, развиваемых приводными механизмами (тяговые характеристики) Зависимость величины движущих сил или моментов от линейного перемещения или угла поворота ведущего звена механизма может определяться для статического и динамического состояний приводного механизма. Определение статических характеристик значительно проще, чем динамических. В качестве иллюстрации на рис. 7.1, б приведены статические характеристики электромагнитно-пружинного механизма электромагнитного реле (рис. 7.1, а), имеющего контакты, замыкающие электрическую цепь (нормально разомкнутые), неподвижные Kw и подвижные К» (мостиковый контактный узел). Неподвижные контакты укреплены на стойках, установленных на колодке из изоляционного материала. Действующие силы пружины приведены (путем пересчета плеч) к рабочему зазору б по оси сердечника электромагнита, т. е. к месту действия электромагнитной силы (см. § 2.3, Б). Приведение сил пружин к рабочему зазору производится для того, чтобы иметь возможность согласовать движущие и противодви-жущие силы при включении реле. Включение. В процессе включения реле (замыкания якоря и контактов) зависимость сил F3, развиваемых электромагнитом, от рабочего воздушного зазора б выражается тяговой характеристикой Fa. |
