Большое распространение в схемах промышленной автоматики получили транзисторные логические элементы. Это обусловлено возможностью строить всю систему управления, независимо от сложности, только на полупроводниковых приборах.
Рис. III.8. Транзисторный ключевой усилитель, реализующий логическую операцию инверсии.
а — принципиальная схема: режимы в системе статических характеристик; б — входных, в — выходных.
При этом в основе всех подсистем — логической, контроля, преобразователей непрерывных сигналов датчиков в дискретные и выходных усилителей — оказывается однотипная по принципу действия аппаратура. Это обстоятельство в значительной степени упрощает обучение обслуживающего персонала и эксплуатацию единых транзисторных систем.
Для управления ГТУ наибольший интерес представляет специально разработанная и выпускаемая для автоматизации промышленных установок серия транзисторных логических элементов «Логика Т». В основу их положена схема полупроводникового усилителя, работающего в ключевом режиме. Транзистор усилителя включен по схеме с общим эмиттером (рис. III.8, а). При таком соединении достигается наибольшее усиление как по току, так и по напряжению и вместе с тем осуществляется логическая операция инверсии.
Таким образом, приведенная схема реализует логическую функцию инвертирования Y = Х, так как при сигнале на ее входе, равном нулю (X = 0), напряжение на выходе принимает максимальное значение, т. е. сигнал выхода равен единице (Y = 1), а при входном сигнале, насыщающем транзистор (X = 1), напряжение на выходе схемы близко к нулю (Y = 0).
Обеспечение ключевого режима работы транзисторов в логических устройствах при работе одного инвертора на другой, когда происходит как бы каскадное соединение транзисторов, накладывает некоторые особенности на схему инвертора. Так, даже в режиме глубокого насыщения на выходе имеется небольшое напряжение, под действием которого возможно отпирание транзистора последующего инвертора. Опасность такого явления возрастает при повышении температуры окружающей среды, так как при этом возрастает статический коэффициент усиления транзистора по току и его коллекторный ток может достигнуть насыщения даже при малых значениях тока базы. Чтобы обеспечить надежный режим отсечки транзистора последующего элемента при малых входных сигналах, соответствующих нулевому уровню, на базу каждого транзистора подается небольшое положительное напряжение от источника смещения Есм, надежно запирающее, триод (см. рис. III.8, а). Очевидно, что обеспечение режима насыщения в этом случае требует несколько уменьшить сопротивление коллекторного резистора RK, так как базовый ток будет меньше на величину тока, ответвляющегося в сопротивление смещения Rc.
Переходим к описанию логических элементов рассматриваемой серии. Ее основу составляет элемент Т101, содержащий две независимые логические схемы «стрелка Пирса» («или—не») (рис. III.9). Диодная часть схемы позволяет реализовать на входах логическую функцию суммирования, а транзистор выполняет операцию инвертирования и одновременно усиления выходного сигнала. Каждая из двух схем, составляющих логический элемент Т101, снабжена тремя входами, с разделением этих цепей диодами. При отсутствии сигналов на всех входах транзистор закрыт и на его выходе имеется отрицательный потенциал, принятый в системе за 1. При подаче сигнала хотя бы на один из входов транзистор открывается и сигнал на выходе становится равным 0.
Рис. III.9. Принципиальная схема элемента «Логика Т», содержащего две независимые схемы «или—не».
С помощью элемента Т101 можно реализовать все основные логические функции, что показано в табл. III .2. Кроме Т101 серия «Логика Т» включает также элементы, выполняющие логические функции «или » (Т106), «и» (Т107). Кроме того, в эту серию входят маломощный (Т102) и мощный (Т103) триггеры, а также две потенциально-импульсные ячейки Т104 и Т105 на 5 и 500 гц. Подробное описание схем, принципа работы и параметров этих элементов можно найти во многих источниках 15, 18, 24, 28]. Поэтому в дальнейшем изложении приведены лишь состав, условия эксплуатации элементов серии и особенности работы их в системах автоматики.
С учетом разнообразия условий работы в разных устройствах управления промышленными установками в серию «Логика Т» включены кроме упомянутых основных элементов также и вспомогательные: 1) согласующий (Т201) для гальванического разделения цепей, релейный (Т202) для преобразования непрерывно изменяющегося сигнала в сигналы двух уровней и элемент сравнения двух напряжений по величине (Т203); 2) четыре элемента времени, служащих для реализации временных функций от долей секунды до 100 сек (Т301—Т304); 3) пять выходных усилителей, охватывающих диапазон мощностей от 0,5 до 100 вт (Т401—Т405). Питание элементов осуществляется от специальных унифицированных блоков питания типа БПС, работающих от сети переменного тока промышленной частоты 50 гц (табл. III.3).
Таблице III.2
Продолжение табл. III.2
Продолжение табл. III.2
Таблица III.3
Примечание. Под нагрузочной способностью элемента понимается максимально допустимая нагрузка, которая может быть подключена к данному элементу без нарушения его нормального функционирования. Если входной ток последующего элемента течет к отрицательной шине литания схемы, то такая нагрузка считается последовательной (пл), если на общую шину—параллельной (пр). Под способностью потребления входом элемента понимается, насколько вход данного элемента способен подгрузить выход предыдущего.
Элементы серии «Логика Т» обеспечивают работу при условиях:
Отклонение напряжения питания от номинального значения, % От -15 до +10
Температура окружающей среды, -°C От -40 до +50
Относительная влажность воздуха при температуре +40 С, %
Ускорение, g:
при вибрациях 5—20 4
при ударных нагрузках 15
Следует отметить ряд особенностей транзисторных логических элементов и схем, построенных на элементах «Логика Т».
- В связи с тем что транзисторы в элементах работают в ключевом режиме, входные сигналы, поступающие на логические элементы, во избежание ошибок должны быть представлены также только двумя уровнями. Таким образом, при наличии непрерывно изменяющегося сигнала, поступающего от какого-либо датчика в логическую схему, его необходимо предварительно преобразовать в дискретный с помощью релейного элемента (Т202) или нуль-органа (Т203).
- Во избежание ложного срабатывания памяти, пересчетных схем, счетчиков (и т. п.), построенных на потенциально-импульсных ячейках, не допускается включать непосредственно в эти цепи датчики дискретных уровней, у которых переходный процесс при срабатывании и отпускании носит колебательный характер (например, бесконтактный датчик положения типа КВД-3). В подобных случаях следует применять дополнительные устройства, фильтрующие входной сигнал.
- В связи с тем, что время срабатывания транзисторных логических элементов не постоянно и не одинаково даже у элементов одного типа, нельзя рассчитывать на строго одновременную работу логических элементов, возбужденных одним и тем же сигналом. Поэтому, для того чтобы избежать возникновения ложных сигналов, необходимо там, где возможно кратковременное образование ложных цепей, т. е. где вероятны «состязания» сигналов, либо устанавливать задержки сигналов или схемы совпадения, либо синхронизировать сигналы с помощью генераторов тактовых импульсов.
- Чтобы не происходило искажения информации в полупроводниковых элементах, не допускается непосредственного последовательного включения пассивных логических элементов. В таких случаях между ними следует устанавливать элементы «или—не» (Т101). Исключение из этого правила составляет только один случай — допускается подключение диодной схемы «или» к выходу диодной приставки, реализующей логическую функцию «и».
- Количество элементов, которое можно подключить к какому- либо элементу, определяется нагрузочной способностью последнего и мощностью, потребляемой входной цепью элемента нагрузки (см. табл. III.3).
- Необходимо учитывать, что транзисторные схемы подвержены импульсным помехам, так как схемы памяти и счетные схемы, строящиеся на потенциально-импульсных элементах, управляются импульсами.
- При перерывах (исчезновении и восстановлении) напряжения питания пересчетные схемы и схемы памяти устанавливаются в произвольное случайное состояние. Чтобы это не приводило к возникновению ложных сигналов и к аварийным ситуациям, необходимо принимать специальные меры, например строить систему таким образом, чтобы при восстановлении питания эти схемы устанавливались только в определенное состояние, не вызывающее аварии агрегата.
- В сложных многоэлементных схемах, которые потребляют значительную мощность от источника питания, необходимо обращать особое внимание на сопротивление общих проводов схемы, так как протекающий по ним ток создает противоположное приращение напряжениям смещения и питания коллекторных цепей. Это приводит к сужению и без того довольно небольшого допустимого предела изменения напряжения питания элементов.
