foto1
foto1
foto1
foto1
foto1

Знання - це скарб, а навчання - ключ до нього.

Навчання - світло, а не навчання тьма.

Знання за гроші не купиш.

Знання - це сила, а незнання - робоча сила?

Хорошого спеціаліста робота сама шукає.

Електротехніка

Тема:Елементи теорії релейних схем автоматики та логічні елементи .

1. Основні поняття і визначення теорії релейних схем автоматики.

2. Аналітичний запис структури і умов роботи

3. Основні записи алгебри логіки.

4. Безконтактні логічні й керуючі елементи.

5.Тригери

1. Основні поняття і визначення теорії релейних схем автоматики.

Серед багатьох автоматичних пристроїв керування релейні схеми досить поширені. Для них характерним є скачкоподібна зміна вихідної регульованої величини при зміні вхідної величини, тобто кожний елемент релейної системи може приймати два стійких положення: ввімкнено або розімкнено. Умовно їх позначають символами "1" і "0". Наприклад, контакт реле може бути замкнений або розімкнений; транзистор - відкритий або закритий; електричне коло замкнене або розімкнене тощо.

 Релейні схеми, як правило, складаються з контактних електромагнітних реле. За характером роботи релейні системи бувають однотактні і багатотактні. В однотактних системах стан виконавчих елементів однозначно визначається станом керуючих елементів у будь який момент часу, в них певна комбінація вхідних сигналів відповідає тільки певному значенню вихідної величини .

У багатотактних схемах між керуючими і виконавчими елементами є проміжні елементи, шо забезпечують певну послідовність роботи їх, отже, вхідним величинам одної і тої комбінації, але поданим в різні моменти часу, можуть відповідати кілька функцій (вихідних величин).

rels

Рис. а - однотактна: б - багатотактна; в - типу П; г - типу Н

Зображення релейної схеми, де показано кількість і склад структурних елементів, з'єднання між ними, називають структурою релейної схеми. Частіша схеми релейної, що складається тільки з контактів, називається контактною схемою. Структуру релейної схеми зображають графічно у вигляді символів елементів їх з'єднань згідно з ГОСТ.

За видом з'єднань розрізняють схеми паралельно-послідовні, місткові, інверсні і т.п. Під час вивчення релейних систем автоматики вирішують в основному два завдання:

перше - аналіз схем, тобто визначення умов роботи кожного реле, послідовності їх роботи,

друге -синтез схем, тобто знаходження структури схеми за заданими умовами її роботи. Аналіз і синтез дають можливість одержати електричну схему системи з мінімально можливим числом реле та контактів, користуючись спеціальним математичним апаратом - алгеброю логіки.

2. Аналітичний запис структури і умов роботи

Релейну схему можливо подавати не тільки за допомогою графічних символів, а й використовувати буквені позначення, наприклад, котушки елементів - великими буквами латинського алфавіту (А,В...Х), замикаючі контакти малими буквами а, в, х, у, розмикаючі контакти - малими буквами з рискою над нею а, в, х, у тощо.

В алгебрі логіки застосовують тільки дві математичні операції:

множення, що означає послідовне з'єднання контактів (ав)

додавання, що означає паралельне з'єднання контактів (а+в).

relsz

Рис. Способи зображення релейних схем: а – з використанням графічних символів; б, в – з використанням буквених символів.

Структурна формула для схеми ,(рис.б) має такий вигляд: F=(ав¯ + сd¯е + m)х

З формули видно, що є три паралельні вітки контактів, де контакти ( а ,в¯ , с,d¯ , е ) вмикаються послідовно. Вихідний сигнал буде у випадку, коли спрацює а і не спрацює або спрацює с і е, але не спрацює d¯, або спрацює m. Якщо умови роботи, наприклад, елемента у наведені словами, то по них складають відповідну структурну форму­лу і схему. Нехай елемент у повинен спрацювати: при спрацюванні контактів а і в і не спрацюванні с; при спрацюванні елементів і е і неспрацюванні m. Структурна формула при цьому має вигляд: F=(авс¯+dеm¯)y

а схему наведено на рис. в. Зазначимо, що постійно замкнене коло позначають символом – 1, постійно розімкнене коло – 0; f – структурна формула контактів; F – структурна формула схеми.

3. Основні записи алгебри логіки.

У контактних релейних схемах автоматики контакт схеми може бути у двох станах: розімкненому або замкненому і також вся структурна формула може зображати замкнене або розімкнене коло, тобто стан 1 або 0.В булевій алгебрі розрізняють чотири пари законів (відносно додавання і множення), які дають можливість встановити рівносильність різних виразів, можливість замінити один вираз іншим, одну схему іншою. Як символ рівносильності використовується символ рівності (=).

Розглянемо основні закони та наслідки, що випливають з них, встановлюючи їх справедливість аналізом схем, відповідно правих і лівих частин рівносильних виразів.

Перший закон - переставний (рис. а,б)

Відносно додавання: а+в=в¯+а¯при зміні місць паралельно з'єднаних контактів робота схеми не порушується.

Відносно множення: а в = в¯ а¯ - при перестановці місцями послідовно з'єднаних контактів дія схеми не змінюється.

Другий закон - сполучний (рис. в,г)

Відносно додавання: (а+в)+с=а+(в+с)

відносно множення - (а в) с= а (в с).

Третій закон - розподільний (рис. д,є)

відносно додавання: (а+в)с=ас+вс

відносно множення – а в+с=(а+с)(в+с).

Четвертий закон - закон інверсії  (рис. с,ж)

відносно додавання: а+в = ав (рис. є), тобто, для замикання кола достатньо, щоб спрацювало хоча б одне реле (щоб замкнулися контакти а чи в), або протилежна дія - для розмикання кола достатньо, щоб спрацювало хоча б одне реле (щоб розімкнулися розмикаючі контакти а чи в)

відносно множення: ав=а+в (рис., ж), тобто для замикання кола при послідовному з'єднанні контактів потрібно, щоб спрацювали обоє реле, щоб замкнулися контакти а і в. або протилежна дія - для розмикання кола, при паралельному з'єднанні контактів треба щоб спрацювали обоє реле (щоб розімкнулися контакти а і в). Довга риска над контактами а+в і ав означає, що потрібно брати заперечення від даного виразу (інверсії), а в правій частині (ав та а+в) записаний вираз, який має зворотне значення по відношенню до вихідного.

zalg

Рис.- а, б- переставний закон; в,г - сполучний закон; д,е - розподільний; с,ж — інверсний

Рівносильність поданих  схем не викликає сумнівів. Більш того, переставний, сполучний та розподільний закони відносно додавання аналогічні законам звичайної алгебри. Виняток складають закони інверсії та розподільний закон відносно множення, які зустрічаються тільки в булевій алгебрі (у звичайній алгебрі вони пояснюються по-іншому).

При аналізі і спрощенні формул релейних систем користуються не тільки законами алгебри логіки, а й висновками з них, наприклад:

а·а¯= 0 – коло розімкнене

а+а¯ =1 - коло замкнене

а-1=а

а+ 1=1

а-0=0 - коло розімкнене

а+0=а

а·а·а=а

а+а+а=а

а+а·в=а·(1+в)=а

а·(а+в)=а

а+а¯·в=а+в

а¯+а·в¯= а¯+в¯

Неважко переконатися в цьому, зарисувавши відповідні релейні контактні схеми.

За аналогією для будь-якої релейної схеми можна знайти рівносильну за дією схему, в якій всі послідовно ввімкнені контакти і обмотки реле будуть замінені на паралельно ввімкнені, а всі паралельні кола – на послідовні; всі замикаючі контакти – на розмикаючі, а розмикаючі – на замикаючі.    

 4. Безконтактні логічні й керуючі елементи.

У схемах автоматики приходиться виконувати дії логічного типу між вхідними і вихідними величинами: "І", "АБО", "НE", "ПАМ'ЯТЬ", ЗАТРИМКА", "ЗАБОРОНА" тощо.

Найбільш поширені логічні елементи: "І", "АБО", "НE" та їх комбінації.

lel

Реалізацію основних логічних функцій проілюструємо на прикладі релейно-контакторних схем на рисунку.

Рис. Інверсні схеми логічних функцій: а-схема " АБО "; б-схема "І"; в-схема "НE

 У схемі "АБО" реле У спрацює і ввімкне свої контакти у при замиканні контактів х, або х2 . У схемі "І" реле У спрацює тільки при замиканні контактів нормально відкритих x1 і х2 , після чого

lel1

замикається контакт у. У схемі "НЕ" при замиканні контакта х спрацьовує реле У, розмикаючи

контакт у. Цю ж операцію можна реалізувати інверсною схемою, ввімкнувши паралельно до обмотки реле У, нормально закритий контакт х.

lelvt

Рис. Схеми керування роботою реле: а - пряма; б - інверсна

Релейні контакти в схемах автоматики можна замінити безконтактним елементом, наприклад, транзистором у ключовому режимі. При відсутньому струму бази, транзистор закритий і напруга колектора Ueк=Ек. Функція приймає значення "1". При появі вхідного сигналу на базі транзистора він відкриється ие. Ueк =0, сигнал на виході відсутній, функція приймає значення "0".

 

Логічні елементи — це електронні схеми, що відтворюють логічні функції й lel6оперують логічними величинами, які приймають тільки два значення: логічну одиницю та логічний нуль. Найпоширенішими є елементи потенційного типу, в яких логічній одиниці відповідає рівень високого потенціалу (додатного чи від'ємного) або напруги, а логічному нулю — низький рівень .

 

Логічні елементи виконують логічні операції, внаслідок чого вхідна інформація перетворюється за відповідними логічними правилами у вихідну. Ці правила описуються таблицями істинності для кожної логічної операції, які формуються на основі алгебри логіки. Основними є такі логічні функції:

lel3

 Рис. а- НE; б-АБО; в- АБО- НE; г- I; о- І-НE; е - тригер; є - підсилювач; ж - підсилювач інвертор; з - піосшювач потужності; і - формувач сигналів

log

 

log1

Функція

Назва функції

XI

0

0

1

1

   

Х2

0

1

0

1

F1 = x1  х2

Кон’юнкція - логічне множення (И)

0

0

0

1

F2 = x1 V х2

Диз'юнкція - логічне додавання

0

1

1

1

F3= x1 → х2

Імплікація xl у х2

1

1

0

1

F4 = x1 ← х2

Імплікація х2 в x1

1

0

1

1

F5 = x1 => х2

Заборона х2

0

0

1

0

F6 = x1 <= х2

Заборона x1

0

1

0

0

F7 = x1 ~ х2

Еквівалентність

1

0

0

1

F8 = x1 х2

Додавання по модулю 2

0

1

1

0

F9 = x1/x2

И-НЕ- Штрих Шеффера

1

1

1

0

F10 = x1 ↓ х2

ИЛИ-НЕ - Стрілка Пірса

1

0

0

0

F11 = x1

Повторення x1

0

0

1

1

F12 = x2

Повторення х2

0

1

0

1

F13 = l

Константа 1

1

1

1

1

F14 = 0

Константа 0

0

0

0

0

F15 = x1^

Інверсія x1 - HE x1

1

1

0

0

F16 = x2^

Інверсія x2 - HE x2

1

0

1

0

НЕ — логічне заперечення (інверсія). Записується виразом у=x¯ тобто у дорівнює не х;

АБО —логічне додавання (диз'юнкція). Записується виразом у = х1 v х2, який вказує, що до логічної величини х1 додається величина x2;

І — логічне множення (кон'юнкція). Запис цієї операції має такий вираз у = х1 λ х2 .

Ці логічні функції реалізуються відповідними логічними елементами з аналогічними назвами. Елементною базою логічних пристроїв є напівпровідникові діоди чи біполярні транзистори, які утворюють схеми транзисторно-транзистоної логіки (ТТЛ).


lel4

 Рис. Схеми реалізації логічних елементів: а)- НЕ: б)- АБО: в) -I

Логічний елемент НЕ виконано з використанням транзисторного ключа. Величина напруги живлення + U має значення, що відповідає логічній одиниці. Якщо сигнал на вході транзистора Uвх за величиною дорівнює логічній одиниці, то транзистор відкритий і вихідна напруга дорівнює Uке.нас, яка за величиною відповідає логічному нулю. І, навпаки, якщо на вході транзистора сигнал дорівнює логічному нулю, то транзистор закритий і вихідна напруга Uвих = +U ,що відповідає логічній одиниці. Таким чином, логічна величина на виході завжди буде протилежною до логічної величини на вході.

Логічний елемент АБО реалізовано схемою (рис. б) з діодами VD1 і VD2. Напруга на виході такої схеми дорівнюватиме логічній одиниці, якщо хоча б на один із входів подано додатну напругу (+) до анода діода, величина якої дорівнює логічній одиниці.

Логічний елемент І теж реалізовано схемою з використанням напівпровідникових діодів (рис. в), в якій накладена умова, що R1>>R2. Напруга на виході елемента R1 матиме значення Uвих = +U тільки тоді, коли всі діоди будуть закриті, тобто на всі входи буде подано сигнал, що відповідає логічній одиниці.

На практиці рідко використовуються логічні елементи, що реалізують тільки одну логічну операцію. В основному логічні елементи реалізують складні логічні функції. На рис. подані приклади реалізації складних логічних операцій І—НЕ та АБО—НЕ на основі простих логічних елементів.

lel5

Рис. а) - І - НЕ; б) - АБО - НЕ

5 .Тригери

tr1

Тригери пристрої, які характеризуються двома стійкими станами рівноваги, а стрибкоподібний перехід із одного стану в інший здійснюється за наявності зовнішнього керуючого імпульсу (сигналу) рис. Зазвичай, схеми тригерів реалізуються з використанням біполярних транзисторів, які працюють в ключових режимах. Перехід від закритого стану транзистора (Uвих = UKE) до відкритого стану (Uвих » 0) здійснюється за допомогою керуючого імпульсу, що подається на бази транзисторів.

В даний час тригери, завдяки своїм властивостям, стали базовими елементами цифрової техніки, тому їх схемна реалізація виконується з використанням логічних елементів АБО-НЕ чи І-НЕ. Тобто тригерний ефект поєднується з логічними операціями, що значно розширює їх сферу використання. Такий пристрій містить тригер і логічний пристрій керування (ЛПК) який перетворює вхідну інформацію. Рис.

tr2

Виділяють два входи: інформаційний вхід А і синхронізуючий вхід С.

За способом запису інформації тригери поділяються на асинхронні (використовується тільки вхід А) і синхронні (запис інформації відбувається тільки за наявності дозвільного імпульсу, що поступає на вхід Q. Виходи тригера: прямий (0, тобто, вихідна інформація відповідає вхідній, і інверсний (Q¯) вихідна інформація є протилежною до вхідної. За своїм інформаційним призначенням їх поділяють на RS, D, Т, JK-тригери.

Тригери використовуються в системах керування для задавання черговості виконання команд, для відліку імпульсів керування, де потрібно знати попередній стан системи.

RS-Тригери мають два інформаційні входи: одиничний S і нульовий R. На рис. подано схему RS -тригера, реалізовану на логічних елементах АБО-НЕ. Умовне позначення RS-тригера (а) та його схема (б) на логічних елементах АБО-НЕ.tr3

При поданні імпульсу напруги (логічної одиниці) на вхід S і відсутності імпульсу напруги (логічний нуль) на вході R, на виходах логічних елементів АБО-НЕ отримаємо логічну одиницю Q = 1 (вихід

DD1) і логічний нуль (Q¯)=0 (вихід DD2). Ця інформація (напруги) через зворотні зв'язки поступає на входи логічних елементів, внаслідок чого встановлюється стійкий стан рівноваги, який змінюється тільки

tr4

при зміні інформації на вході S. Якщо RS-тригер виконано на логічних елементах І- НЕ то в цьому

 

випадку Q = 1 за умови відсутності імпульсу на одиничному вході=0. Такі тригери відносяться до тригерів з інверсним входом, тобто на входи потрібно подавати сигнали, протилежні до вказаних (на одиничний вхід нуль, а на нульовий вхід одиницю).

 

Рис. Схемна реалізація RS-тригера на логічних елементах ІНЕ

D -Тригери мають один ін формаційний вхід D і один синхронізуючий вхід С.

tr6

Рис. Схемна реалізація (а) та схемне зображення (б) D-тригера

Вхідні сигнали через логічний пристрій (DD1 і DD2) проходять на входи тригера S і R тільки за умови наявності синхронізуючого сигналу на вході С = 1. При відсутності такого сигналу логічні елементи І-НЕ (DD1 і DD2) закриті й наявність сигналу на вході D не змінює стану тригера. За умови, що на входи D і С подається логічна одиниця D = 1 і С = 1, на виході DD1 встановлюється (О) і в тригері записується інформація, яка існувала на вході D, тобто Q = 1. Такі тригери відносять до класу тригерів із затримкою часу, коли запис інформації відбувається за наявності дозволяючого (синхронізуючого) імпульсу.

 

JK-тригери відносяться до класу універсальних. У такому тригері інформаційні входи J і К є аналогічними до входів R і S у R S -тригері, а С- - синхронізуючий вхід. При поданні імпульсу tr7(логічної одиниці) на вхід (J = 1) тригер встановлюється в один із станів з Q = 1 або Q = 0. При одночасному поданні логічної одиниці на обидва входи (J = 1 і К= 1) тригер змінює попередній стан на протилежний.

  Рис. Схема зображення JK-тригера (а) та Т-тригера (б)

Окремо виділяють T-тригери, які мають тільки один вхід (лічильний). Кожного разу при поданні вхідного сигналу такий тригер змінює свій стан на протилежний.

Тригер Шмітта або пороговий пристрій виконано на базі операційного підсилювача з додатним зворотним зв'язком й характеризується гістерезисною передатною характеристикою.Перемикання

tr8

схеми (зміна полярності вихідної напруги ОП) здійснюється за умови рівності вхідної напруги на інвертувальному вході та напруги спрацювання на неінвертувальному вході Uвх = Uсп,

При зменшенні напруги Uвх до значення, що дорівнює Uвід, ОП повертається у попередній стан.

Рис. Схема тригера Шмідта