Основні теоретичні положення

Складність та недостатньо висока надійність систем управління з контактними апаратами привела до створення безконтактних елементів.

При автоматизації виробничих процесів для автоматичного і програмного управління, сигналізації та інших цілей застосовують пристрої дискретної дії, створенні з логічних елементів. Вони призначені для вироблення правильної команди виконуючим органом в залежності від поєднання сигналів, які надходять на входи.

В результаті операції, яка виконується логічним елементом, на його виході з`являється сигнал “ТАК” (1) або “НІ” (0) без проміжних значень. В контактних реле цим сигналам (цифрам) відповідають два протилежних стани контактів – розімкнутий і замкнутий, а в безконтактних елементах – відсутність напруги (струму) або його наявність. Відповідно і вхідні сигнали можуть бути двох видів – “НІ” (нуль) або “ТАК” (одиниця).

Дискретні системи із статичними безконтактними апаратами управління підпорядковуються тим же логічним законам, що і релейно-контактні системи. Ось чому безконтактні апарати можна розглядати як аналоги релейно-контактних.

Будь-яка складна логічна операція може бути розкладена на елементарні логічні функції “НЕ”, “АБО”, “І”.

Функція “НЕ”, яка зветься запереченням (інверсією), означає, що вихідна величина завжди протилежна вхідній.

Наприклад, якщо X =1, то Y =0, і навпаки, якщо X =0, то Y =1, де X ‑ вхідна величина; Y ‑ вихідна величина.

Функція “АБО” зветься логічним додаванням. Вихід функції “АБО” дорівнює 1, якщо хоч би на одному вході є одиниця, і дорівнює 0 тільки в тому випадку, коли на всіх входах нулі. Функція “І” зветься логічним добутком. Вихід функції “І” дорівнює 1 тільки тоді, коли всі входи дорівнюють 1. В інших випадках вихід функції “І” дорівнює 0.

Значення вихідного сигналу Х для всіх можливих варіантів на логічних входах а та б наведені в таблицях 2.1 (для логічної функції “І”) і 2.2 (для логічної функції “АБО”).

Таблиця 1.1. Таблиця 1.2.

В безконтактних елементах релейний характер роботи досягається дискретною зміною параметрів елементів, які мають нелінійні характеристики. Безконтактні елементи не є ідеальними вимикаючими апаратами. В зачиненому стані на виході таких елементів існує сигнал, відмінний від нуля. Ось чому комутаційний коефіцієнт безконтактного елементу, тобто відношення величини сигналу до величини шуму, менший ніж у контактних електромеханічних пристроїв.

Проте, враховуючи що для надійної роботи релейних елементів в дискретній системі не будуть потрібні значення комутаційного коефіцієнта більші 20... 30, він може бути забезпечений безконтактними елементами з феромагнітними осердями, транзисторними та іншими елементами з нелінійними характеристиками.

Для можливості підключення до виходу елементу кількох елементів, а також для запобігання затуханню сигналу в ланцюгах із послідовно з’єднаних елементів безконтактні елементи повинні мати підсилювальні властивості.

Переваги безконтактних логічних елементів у порівнянні з електромеханічними апаратами:

1. Відсутність контактів і механічних частин, які швидко зношуються.

2. Незалежність вихідних параметрів (струм, напруга, час) від механічного впливу.

3. Висока швидкодія, не обмежена механічними зв’язками та параметрами.

4. Компактність блоків і панелей з елементами, зручність їх монтажу та наладки.

5. Відсутність необхідності постійного догляду.

6. Нечутливість до шкідливого впливу навколишнього середовища (до пилу, вологи, тиску і т. ін.).

Недоліки безконтактних логічних елементів:

1. Чутливість до зовнішніх електромагнітних перешкод.

2. Залежність робочих характеристик від температури.

3. Нерозбірність та ін.

- Враховуючи вищенаведене, застосовувати безконтактні елементи в схемах автоматичного керування доцільно у таких випадках:

- якщо в релейно-контактному варіанті кількість контактів, які працюють в схемі управління, перевищує 50;

- якщо кількість вхідних сигналів у системі управління в середньому в 5 разів перевищує кількість вихідних сигналів;

- якщо кількість перемикаючих логічних апаратів у 5 разів і більше перевищує кількість виконуючих апаратів (контакторів, електромагнітів і т. ін.).

1.1.1 Транзисторні логічні елементи серії “Логика Т”

Основою елементів цієї серії є транзисторні підсилювачі, які працюють в ключовому режимі і розроблені так, що вони забезпечують виконання визначених логічних функцій.

Основний елемент цієї серії ‑ елемент Т-101, який складається з двох однакових незалежних чарунок “АБО” ‑ “НЕ”, кожна з яких має три входи і один інверсний вихід. Принципова схема елементу Т-101 показана на рис.1.1.

Рис. 1.1 Принципова схема елементу Т- 101

Розглянемо принцип роботи елементу Т-101 на прикладі першої чарунки елементу. Основою чарунки є підсилювач на транзисторі Т, що працює в ключовому режимі. Якщо сигнал на вході відсутній, то під дією позитивної напруги зміщення U_зм транзистор закривається. Це значить, що опір його емітер-колекторного переходу дуже великий. Напруга, яка прикладена до точок “13” та “15” буде зосереджена, в основному, на емітер-колекторному переході транзистора, тобто між точками “9” та “15”. Тобто, на виході з’являється напруга U_у. При подачі на будь-який вхід напруги U_{x і}, транзистор відкриється. Опори R_d та R_зм і напруги вибрані таким чином, що вхідний сигнал переведе транзистор в стан насичення, транзистор відкриється.

Транзистор у відкритому стані. Опір емітер-колекторного переходу транзистора, який знаходиться у відкритому стані, малий. Цей опір значно менший опору резистора R_k, який включений послідовно з цим переходом. тому напруга на виході Uу знижується майже до нуля. Діоди на входах В ₁, В ₂, В₃ потрібні для “розв`язування” входів, тобто для того, щоб негативний вхідний сигнал на будь-якому вході не міг потрапити на другий, більш позитивний вхід, де сигналу немає. Елемент виконує логічну операцію (”АБО” ‑ “НЕ”):

.

З’єднавши між собою чарунки (див. пунктир на рис.2.1.) в цій схемі при подачі управляючого сигналу на вхід першої чарунки можна отримати два вихідних сигналу “0” і “1”(відповідно на точках “9” та “8”).

Другий важливий елемент - елемент Т-107. Він складається з набору напівпровідникових діодів та опорів. В залежності від способу з’єднання виводів, можна отримати схему “АБО”, або схему “І”. В серію “Логика-Т” входить ще ряд елементів: елемент Т-102, який реалізує функцію “пам’ять”; елемент Т-303, призначений для створення витримок часу; елемент Т-405, який забезпечує перемикання потужності до 1000 Вт, та інші.

1.1.2 Основні правила ввімкнення елементів серії “Логика-Т”

1. Допускається послідовне включення будь-якої кількості активних логічних елементів типу Т-101.

2. Не допускається послідовне з’єднання пасивних діодних схем “І” і “АБО”, набраних з елементів Т-107, в яких відбувається зниження рівня сигналу.

3. Допускається підключати елемент Т-101 безпосередньо тільки до однієї діодної схеми “І”. При більшому числі зв’язків зі схемами “І” необхідно використовувати схеми розділення “АБО”.

4. Не дозволяється (!) одночасне підключення до елементу Т-101 діодних схем “І” і “АБО”.

5. Не допускається (!) використовувати діодну схему “АБО” з числом входів більше 5, а діодну схему “І” ‑ з числом входів більше 10.

6. Не допускається (!) навантажувати елемент “АБО” ‑ ”НЕ” (Т-101) більше ніж на три аналогічних елементи.

2. Приклад реалізації логічної операції за допомогою елементів серії “Логіка-Т”

Будь-яка логічна операція може бути реалізована за допомогою універсальних логічних елементів типу Т-101, деякі операції ‑ за допомогою тільки діодних схем (елемент Т-107), а в більшості випадків найбільш ефективне спільне використання активних та пасивних елементів.

Функція “І”-”НЕ” словами записується таким чином: сигнал на виході відсутній тоді і тільки тоді, коли є сигнали на всіх трьох входах.