2.21. Элементы логической и исполнительной частей устройств рз

Элементы логической части (ЛЧ). Основными компонентами ЛЧ являются логические элементы (ЛЭ), выполняющие типовые логические операции: органов времени (ОВ), сигнальных органов, органов памяти, продлевающих действие выходного сигнала элемента, триггеров, используемых как двухпозиционные элементы, и др.

В релейно-контактных устройствах все эти элементы выполняются на электромеханических реле, в статических бесконтактных – на базе полупроводниковых приборов, первоначально в неинтегральном, а в последнее время в интегральном исполнении.

В бесконтактных схемах в качестве входных и выходных сигналов используются напряжения двух различных уровней в виде кратковременных импульсов или продолжительного сигнала, сохраняющего свое значение до тех пор, пока не изменится входной сигнал. Последний вид сигналов, называемый потенциальным, в основном и применяется в устройствах РЗ.

Логические элементы. Органы логики условно изображаются в виде прямоугольника (рис. 2.72), который имеет несколько входов и один выход. На входы приходят сигналы Х от ИО или от других элементов ЛЧ. К выходуYЛЭ подключается нагрузка из одного или нескольких элементов ЛЧ. Кроме этого, ЛЭ имеет два входа для подачи напряжения от источника питания постоянного тока: один вход + Е_П(5-15 В) и второй – подсоединяемый к шинке нулевого потенциала логической схемы. Под воздействием входных сигналов каждый ЛЭ выполняет определенную логическую операцию:

Y = f (X₁, X₂, …, X_n). (2.52)

Органы логики имеют проходную характеристику Y=f(X), аналогичную приведенной для реле на рис. 1.14. Бесконтактные ЛЭ могут выполняться на полупроводниковых элементах с релейной характеристикой или на элементах, работающих в режиме переключения. Такими элементами в бесконтактных схемах являются транзисторы, работающие в двух конечных режимах: отсечки и насыщения.

Выходной сигнал ЛЭ, как у всякого реле или элемента релейного действия, носит дискретный прерывистый характер; он имеет два значения; одно – соответствующее действию и второе – недействию ЛЭ, переход из одного состояния в другое происходит практически мгновенно. Входные сигналы ЛЭ также имеют два значения и всегда дискретны. Учитывая эту особенность ЛЭ, условились обозначать уровни их значений цифровыми (логическими) символами: О и 1.

У бесконтактных ЛЭ логическим нулем 0 обозначаются входные и выходные напряжения низшего уровня, равные или близкие к нулю, а логической единицей 1 – сигналы высокого уровня, близкие к напряжению источника, питающего элементы ЛЧ. У контактных ЛЭ 0 соответствует разомкнутому состоянию контактов, 1 – замкнутому.

Принято логические операции, выполняемые бесконтактными ЛЭ, указывать для положительной логики, т. е. когда логический нуль на входе соответствует исходному положению органа, а срабатывание происходит при подаче единичных входных сигналов. По характеру преобразования входного сигнала в выходной ЛЭ подразделяются на неинвертирующие и инвертирующие уровни выходных сигналов. У неинвертирующего ЛЭ выходной сигнал равен логической 1 при входном сигнале, равном 1 и 0, если входной сигнал равен логическому 0. У инвертирующего ЛЭ уровень выходного сигнала всегда противоположен входному: при U_ВЫХ= 1U_BX= 0 и наоборот.

В отличие от ИО к ЛЭ не предъявляется требование высокой точности уровня входных напряжений при срабатывании и возврате. От них требуется лишь четкое различение единичного сигнала от нулевого. Важным требованием является надежная отстройка от помех, исключающая их ложное действие, и надежное срабатывание при допустимых колебаниях напряжения источника питания.

Зля облегчения проектирования и анализа схем была предложена теория их построения, основанная на использовании математических дисциплин, в первую очередь алгебры логики (АЛ)¹. В алгебре логики буквенными символами (А, В, С ...) обозначаются переменные величины и их функции, но, в отличие от обычной алгебры, переменные АЛ могут иметь только два различных значения, условно обозначаемые цифрами 0 и 1. Над переменными величинами АЛ производятся операции, которые записываются в виде алгебраических уравнений и формул. Основными в АЛ являются три элементарные логические операции: сложение, умножение, инверсия, называемые сокращенно, как и в формальной логике, ИЛИ, И, НЕ. Переменные величины этих выражений и их функции должны рассматриваться как значения входных и выходных сигналов ЛЭ. Первые будут обозначаться буквамиX₁,X₂, …,X_n, а вторые буквойY.

Будем считать, что логические символы 0 и 1 обозначают соответственно низкий и высокий уровень ии что органы логики срабатывают – выполняют свои логические операции – при изменении входных сигналов с 0 на 1 и возвращаются в исходное состояние при их изменении с 1 на 0.

Логический элемент ИЛИ (рис. 2.73) приходит в действие и его выходной сигнал Yизменяется с нулевого уровня на единичный, если хотя бы один из входных сигналов (X₁илиX₂, илиX₃) равен логической 1.

Если же все входные сигналы X₁,X₂иX₃равны 0, то и выходной сигналY= 0 – это означает, что ЛЭ ИЛИ не действует и находится в исходном состоянии. При всех других сочетаниях значений входных сигналовY= 1 (см. таблицу соответствия на рис.2.73, г).

Элемент ИЛИ, как показано на рис. 2.73, а, изображается на чертежах прямоугольником с цифрой 1 внутри него либо обозначается буквенным символом DW.

Электронный бесконтактный ЛЭ ИЛИ может выполняться на резисторах, диодах, транзисторах. На рис. 2.73, б приведена простейшая схема ИЛИ на диодах VD1-VD3.

Входные сигналы X₁,X₂,X₃поступают на анодные входы диодовVD1,VD2,VDЗ. Выходом схемы является точкаY, к которой подключается нагрузкаR_Hпри входных сигналах на уровне логического 0, недостаточного для открытия диодов, выходной сигналY= 0. В случае появления на одном из входов, например входе 2, единичного сигналаX₂= 1 в виде напряжения положительного знака +U_BX2≈ Е_П, диодVD2 открывается и на выходе схемы (в точкеY) появляется напряжение (с учетом нагрузки Р_H)U_ВЫХ=U_BX1(пренебрегаем падением напряжения в сопротивленииR_О.Доткрытого диода).

При подаче одинакового напряжения U_BX2≈ Е_Пположительного знака одновременно на все три входа выходное напряжение будет таким же, как и в предыдущем случае.

На рис. 2.73, в приведена контактная схема ИЛИ, которая состоит из трех промежуточных реле KL1, KL2,KLЗ. Контакты реле соединены параллельно, а входные сигналыX₁,X₂,X₃подаются на их обмотки в виде напряжения Е_П. В аналитической форме операция ИЛИ, называемая в АЛ операцией логическогосложения, обозначается символическими знаками "V" либо "+" и записывается в виде уравненияY=X₁VX₂VX₃, либоY=X₁+X₂+X₃. (2.53)

Значения выходного сигнала в зависимости от всех возможных сочетаний значений X (0 и 1) даны в графах 1, 2, 3 таблицы соответствия на рис. 2.73, г.

Логический элемент И (рис. 2.74) приходит в действие и на его выходе возникает сигнал Y= 1 только при условии, что на всех входах ЛЭ появляется сигнал, равный 1, например: на ЛЭ с тремя входами (рис. 2.74, в)Y= 1, еслиX₁, иX₂, иX₃равны 1. Если же хотя бы один из входных сигналов равен логическому 0, то и выходной сигналY= 0. На чертежах (рис. 2.74, а) ЛЭ И обозначается значком & внутри прямоугольника или буквамиDX.

На рис. 2.74, б приведен пример контактной схемы И с тремя входными сигналами. Схема состоит из трех промежуточных реле KL1-KL3, контакты которых соединены последовательно. Бесконтактная схема И с тремя входамиX₁,X₂,X₃построенная на полупроводниковых диодах, приведена на рис. 2.74, в. Если на входы схемы (т. е. на диодыVD1,VD2,VD3) поступят одновременно единичные сигналы в виде напряженияU_BX1,U_BX2, U_BX3положительного знака, превышающие опорные напряжения Е_ОП, то все диоды будут заперты. В этом случае на выходе схемы (в точкеY) появится напряжениеU_ВЫХ=U_ОП(логическая 1). Если хотя бы на одном входе, например наX₁появится сигнал низкого уровня (логический 0), при которомU_BX< Е_ОП, то диодVD1 откроется и на выходе схемы появится потенциалU_BX=U^o. В аналитической форме операция И записывается по правилам логического умножения АЛ и обозначается в АЛ символическим знаком "" или "•" и записывается для органа И сnвходными сигналами в виде уравнения:Y=X₁X₂X₃, либоY=X₁•X₂•X₃. В таблице состояния для ЛЭ И с тремя входными сигналами значенияY=X₁X₂X₃при всех возможных сочетанияхX₁,X₂,X₃(0 и 1) приведены в таблице на рис. 2.74, г.

Логический элемент НЕ преобразует входной сигнал в выходной так, чтобы он имел логическое значение, противоположное входному. Выходной сигнал (рис. 2.75, а), равный логической 1, возникает, когда входной сигнал Xравен логическому 0 и наоборот,Y= 0 еслиX= 1. Логический элемент НЕ изображается в виде прямоугольника с одним входом (рис. 2.75, а), инвертирование выходного сигнала обозначается кружочком в месте его выхода или буквамиDU.

Контактная схема НЕ выполняется с помощью промежуточного реле KL1 с нормально замкнутыми контактами (рис.2.76,б).

Бесконтактный орган НЕ наиболее просто выполняется посредством транзистора VТ1 (рис. 2.75, в), включенного по схеме с общим эмиттером и работающего в двух предельных режимах: насыщения или отсечки. Нормально эмиттер транзистораVТ1 (типаn-р-n) связан с шинкой нулевого потенциала, коллектор – с +Е_Писточника питания, входной сигналU_BXподается на базу. ЕслиU_BXсоответствует логическому 0, то транзисторVТ1 закрыт под воздействием напряжения смещения и находится в режиме отсечки. При этом выходное напряжение транзистораU_ВЫХ≈ Е_П, т. е. значение выходного сигналаYсоответствует логической 1.

При подаче на вход Xлогической 1 в виде положительного напряжения +U_BX>U_Б.Э, транзистор открывается – переходит в режим насыщения и шунтирует выход схемы,U_ВЫХпадает до нуля (сигнал Н = 1).

Операции, выполняемой логическим элементом НЕ в АЛ, соответствует операция отрицания или инверсии, она обозначается чертой над инвертируемой величиной и записывается в виде формулы

Y=. (2.54)

Формула читается: Yравен неX, т. е. выходной сигналYравен противоположному по уровню входного сигналу. По правилам АЛ, совпадающим с правилом действия ЛЭ НЕ,Y= 1, еслиX= 0 и наоборот.

Комплект рассмотренных органов логики ИЛИ, И, НЕ достаточен для построения любых логических схем РЗ. Применяя в различном сочетании ЛЭ ИЛИ, И, НЕ, можно получить логическую схему любой РЗ, действующей без замедления (с t= 0), а с добавлением органов времени любой РЗ, работающей с выдержкой времени.

Построение логических схем возможно также на основе одного комбинированного ЛЭ, выполняющего операцию ИЛИ-НЕ либо И-НЕ (рис. 2.76). Орган И-НЕ получается путем сочетания в единой схеме ЛЭ И с ЛЭ НЕ, как показано на рис. 2.76, в. Входные сигналы X₁,X₂,X₃вызывают появление сигналов на выходе элемента И:Y' =X₁•X₂•X₃. Получив этот сигнал, элемент НЕ осуществляет его инвертирование, в результате которого на выходе органа И-НЕ возникает сигнал. По правилам АЛ операция И-НЕ записывается в виде формулы

либо (2.55)

Зависимость выходного сигнала Yот значений входных дана в графах 1, 2, 3, 7 таблицы соответствий (см. рис. 2.72, б).

Орган ИЛИ-НЕ получается путем сочетания схем органов ИЛИ и НЕ (рис.2.76, г).

Операция ИЛИ-НЕ записывается в виде уравнения

либо (2.56)

Таблица состояний для органа ИЛИ-НЕ дана в графах 1, 2, 3, 6 (рис. 2.72, б): оба органа И-НЕ и ИЛИ-НЕ относятся к числу инвертирующих, так как их выходные сигналы всегда противоположны по уровню вызывающим их входным сигналам.

Логическая схема любой сложности может быть выполнена с помощью одного ЛЭ И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, поскольку на основе каждого из этих органов можно осуществить элементарные логические операции ИЛИ, И, НЕ (рис. 2.77).

Из рис. 2.77 видно, что схемы, построенные на одном комбинированном ЛЭ, будут иметь больше элементов, однако при этом уменьшается количество типов ЛЭ (один элемент вместо трех), что удешевляет их массовое производство, поэтому комбинированные элементы на ИМС получили распространение. В основном используются схемы И-НЕ, которые имеют преимущества технологического характера по сравнению с изготовлением ИЛИ-НЕ.

Формулы и положения АЛ можно применять при рассмотрении логических схем РЗ, действующих без замедления, у которых выходные сигналы ЛЭ зависят только от сочетания одновременно возникающих входных сигналов X. Такие опера - ЛЭ и логические функцииY= ƒ(X₁,X₂,X₃) принято называть комбинационными или однотактными, в отличие от многотактных, содержащих элементы времени и памяти. Для РЗ, действующих с замедлением (многотактных), АЛ может использоваться для аналитического описания всех операций, лишь с дополнениями, учитывающими в составе формул логические операции времени.