Логические элементы этого типа относятся к устройствам ключевого режима и по схеме представляют собой однополупериодный быстродействующий магнитный усилитель Рейми с диодной развязкой. Для автоматизации промышленных установок и технологических процессов магнитно-диодные элементы получили широкое распространение как в Советском Союзе, так и за рубежом. В СССР они выпускаются в двух модификациях, входящих в серию «Логика»: элементы типа М, работающие от источника напряжения промышленной частоты 50 гц, типа МК — частоты 400 гц.
Рис. III.11. Схемы, лежащие в основе логических элементов «Логика М».
а — повторитель; б — инвертор; в — трансформатор питания.
В основу всех логических элементов типа М положены две схемы: повторителя и инвертора (рис. Ш.11, а, б). Для нормальной работы этих схем необходимо наличие нескольких синфазных, но сдвинутых на 180° источников напряжения питания. Задача получения таких напряжений решается просто при использовании трансформатора со средней нулевой точкой (рис. III.il, в); На схеме индексами а и b помечены напряжения, находящиеся в противофазах (сдвинутые на 180°).
Как повторитель, так и инвертор содержат сердечник, материал которого обладает прямоугольной петлей гистерезиса (рис. III.12), две намотанные на сердечник обмотки: управления wy и рабочую wp — и цепи смещения, включающие в себя резисторы и диоды. Соответствующий выбор фаз напряжений, действующих в обмотках управления и рабочей, а также наличие в цепях обмоток последовательно включенных с ними вентилей Д3 и Д4 позволяют разделить во времени процесс протекания тока в обмотках на два такта.
Первый такт (управляющий полупериод) — проводит вентиль Д3, стоящий в цепи обмотки управления. Второй такт (рабочий полупериод) — проводит вентиль Д4, установленный в цепи рабочей обмотки. Протекающие по обмоткам в разные полупериоды токи создают магнитные поля, напряженность которых достаточна для перемагничивания сердечника в противоположных направлениях.
Аналитически связь между протекающим по обмотке током и создаваемой им напряженностью поля выражается законом полного тока
(ΠΙ.1)
где Н — среднее значение напряженности поля в сердечнике (при перемагничивании Н = Нc); I — среднее значение тока, протекающего по обмотке w (при перемагничивании это значение равно току намагничивания: I = Io); w — число витков обмотки, по которой протекает ток; I — длина средней силовой линии.
Величина, на которую изменится поток в сердечнике при его перемагничивании, определяется исходя из закона электромагнитной индукции:
(ΙΠ.2) где ΔΦ — изменение потока в сердечнике; А — амплитуда приложенного к обмотке сердечника напряжения; w — число витков обмотки; t1, t2 — соответственно время начала и конца действия приложенного напряжения; α1, α2 — углы, соответствующие времени t1 и t2; ω — круговая частота напряжения питания; Т — период напряжения питания.
При перемагничивании сердечника изменяется магнитный поток, пронизывающий вторую, не работающую в данный полупериод обмотку, и в ней возникает э. д. с., направленная по закону Ленца так, что обусловленный этой э. д. с. ток замедляет процесс перемагничивания, т. е. увеличивает время перемагничивания сердечника. Чтобы исключить возникновение размагничивающего тока, в схемах (см. рис. III.11, а) предусмотрены диоды, запирающие цепь не работающей в данный полупериод обмотки.
Схема логического элемента «и» на к входов (элемент М101) реализуется путем добавления в цепи обмотки управления соответствующего количества входных цепей, подобных той, которая установлена в схеме повторителя (Д1, Д3 и R1). При этом процесс перемагничивания сердечника током, протекающим по цепи обмотки управления, невозможен только при условии, когда входные сигналы подаются одновременно на все к входов, т. е. все диоды Д3 заперты. Схема элемента «или—не» («пи—ни») строится на основе схемы инвертора с диодами, подсоединенными параллельно вентилю Д3 (см. рис. III.1l, б; табл. III.2, элемент М103). Схема «запрет», реализующая логическую функцию Y=X1, X 2, основана на использовании двух обмоток управления, причем цепь одной обмотки построена подобно цепи обмотки управления повторителя, а в основе другой (запрещающей) лежит принцип, используемый в схеме инвертора (элемент М104).
На основе описанных схем построены и более сложные, например реализующие функцию Шеффера («и» с отрицанием), функции равнозначности, неравнозначности и т. п. Следует отметить некоторые особенности магнитно-диодных элементов.
- На работу этих элементов не оказывает влияния форма питающего напряжения. Использование напряжения промышленной частоты объясняется удобством получения в производственных условиях синфазных напряжений Uy, UCM, Up путем трансформации переменного синусоидального напряжения 220 в.
- Выходной сигнал находится в противофазе с сигналом, поступающим на вход. В связи с этим для нормальной работы элементов необходимо, чтобы все напряжения питания каждого последующего элемента были в противофазе с напряжениями питания соответствующих цепей предыдущего.
- На все входы каждого элемента должны подаваться сигналы только одной (соответствующей питанию этого элемента) фазы. Для согласования фаз в сложных схемах могут устаyавливаться повторители.
- Для нормальной работы логических элементов напряжение Up должно быть больше по абсолютной величине напряжения Uy, так как выходной сигнал предыдущего элемента является входным для последующего.
- Из-за непрямоугольности характеристики материала (Кпр=Фr/Фs≠1) форма выходного напряжения магнитно-диодных элементов несколько искажена (см. рис. III.14), причем угол отсечки выходного напряжения в соответствии с выражением III.2 возрастает при понижении напряжения питания. Чтобы устранить влияние этого явления на работу последующих элементов, напряжению управления также придается подобный, но больший угол отсечки аотс, который обеспечивается установкой дросселя отсечки в трансформаторе питания (см. рис. III.11, в).
- У магнитно-диодных элементов серии «Логика М» практически не ограничена величина коэффициента объединения по входу. Это объясняется тем, что рабочая обмотка каждого элемента имеет свою цепь перемагничивания. Сигналы холостого хода предыдущих элементов не суммируются и, следовательно, число входных элементов не влияет на процесс перемагничивания по обмотке управления последующего элемента.
- Нагрузочная способность элемента ограничена, и поэтому нагрузка каждого элемента определяется исходя из типа элемента и типа нагрузки (табл. III.5).
- В серии магнитно-диодных элементов, как и любых ключевых устройств, отсутствует специальный элемент, реализующий функцию «память». Однако эту функцию можно создать с помощью двух практически любых логических элементов (рис. III.15). Наиболее удобными, с точки зрения включения и выключения элемента «память», являются пары элементов «или» + «запрет», «и» + «запрет» и «или» + + «не». Элементы в памяти независимо от их типа должны питаться напряжениями в противофазе.
Таблица III.5
Элементы серии «Логика М»
Рис. III.15. Реализация функции «память» на различных элементах.
а — «или не» (одни выход прямой, другой — инверсный); б — «запрет» (оба выхода прямые); в — «или» b «п» (оба выхода прямые).
Если функция «память» реализуется на двух инверторах (рис. III.15, а), то сигналы включения и отключения должны быть также в противофазе. При подаче сигнала включения на выходе первого элемента (Выход 1) сигнал исчезнет, а иа выходе второго инвертора (Выход 2) появится. В связи с тем что с Выхода 2 сигнал подается на вход первого элемента, дублируя сигнал включения, последний может быть снят. Однополупериодный сигнал на Выходе 2 при этом остается сколь угодно долго. Для снятия этого сигнала, т. е. для выключения памяти, достаточно на вход второго инвертора (Откл.) подать сигнал. При этом на выходе его (Выход 2) сигнал исчезает и появляется сигнал на выходе первого элемента (Выход 2), дублируя сигнал Откл.
Память на элементах «запрет» (рис. III .15, б) характеризуется тем, что выходные сигналы Выход 1 и Выход 2 принимают единичное значение одновременно и находятся в противофазе. Преимуществом этой схемы является то, что напряжение на ее включение и выключение может быть любой из двух фаз, так как оно может подаваться на любой из элементов схемы.
Память, построенная с использованием элемента, реализующего функцию «и» (рис.
Ш.15, а), неудобна тем, что перед подачей включающего сигнала Вкл. 1 на двух входах (1 в 5) элемента «и» сигналы должны уже присутствовать (см. табл. III .2, элемент М101). Эти же входы являются и отключающими, так как при снятии сигнала с любого из них на выходе элемента «и» (Выход 2) сигнал пропадет и память разблокируется.
Магнитно-диодные элементы питаются от промышленной сети, напряжение в которой может колебаться в довольно широких пределах, вплоть до кратковременного исчезновения. Поэтому возникает опасность статической неустойчивости этих элементов, т. е. такого состояния, при котором в логической части схем управления возникают ложные сигналы, не соответствующие действительному положению объекта и характеру управляющих команд.
