По назначению элементы систем управления можно разделить на следующие группы: логические (И, ИЛИ, НЕ, Память); функциональные (синхронизирующие устройства, датчики параметров); усилительные (промежуточные усилители, выходное устройство); временные (фазосдвигающее устройство, задающие генераторы, распределители импульсов); специальные схемы (схемы пуска, реверса).
Логические элементы используют сигналы двух различных значений (высокий и низкий потенциалы). Один из сигналов обозначают единицей (1), другой — нулем (0). Потенциалы, соответствующие сигналам 1 и 0, могут быть положительными, иметь разные знаки и быть отрицательным. Если 1 соответствует высокому потенциалу ев, а 0 — низкому ен, то логика называют положительной (рис. 1, а). При противоположном соответствии сигналов логику называют отрицательной (рис. 1, б).
Рис. 1. Уровни сигналов положительной и отрицательной логики
Наибольшее распространение получили логические схемы на диодах и транзисторах с потенциальной формой представления 1 и 0. С помощью логических схем решаются задачи, которые имеют логическое содержание. Самое сложное логическое устройство может быть составлено из трех логических схем: И, ИЛИ, НЕ, которые являются основными.
Моделью схемы И может служить участок цепи (рис. 2, а). Лампа загорится только в том случае, когда замкнуты контакты Р1 «И» Р2 «И» Р3. Если замкнутое состояние контактов принять за сигнал 1, то на выходе возникнет сигнал 1 (загорится лампа) при наличии сигналов 1 на всех входах. Схема И является схемой совпадения: сигнал 1 на выходе возникает при совпадении сигналов 1 на всех входах. Если обозначить входные сигналы через х1, х2,..., хn, а выходной через y, то для схемы И характерна зависимость:
y = х1 х2 ... хn
Действительно, у = 1 при х1 = х2 = ... = хn = 1 и у = 0, если хотя бы одна из входных переменных равна нулю. Таким образом, схема И осуществляет логическое умножение (конъюнкцию). В соответствии с этим ее часто называют конъюнктором.
Схема И может быть собрана на диодах (рис. 2, б, в). Принцип построения схемы основан на том, что при наличии сигнала 0 хотя бы на одном входе сигнал 0 передается со входа на выход через открытый диод и обеспечивает запирание диодов, на входах которых действуют сигналы 1.
Рис. 2. Схема И на диодах
На рис. 2, б приведена схема для положительной логики. Сигнал 0 (ен) по абсолютной величине больше сигнала 1 (ев). Если на вход В подается сигнал 0, например 10 В, а на входах А и С действуют сигналы 1, например 2, то открытым окажется диод с наиболее низким потенциалом катода, т.е. диод, присоединенный ко входу В, а два других диода будут закрыты. Напряжение сигнала 0 (10 В) выделяется на резисторе Rн, с которого снимается сигнал выхода.
На рис. 2, в приведена схема И для отрицательной логики. Здесь сигнал 0 также по абсолютному значению больше сигнала 1, однако сигналы - положительные, поэтому полярность напряжения сигналов на входах изменена. При наличии сигнала 0 на входе В и сигналов 1 на остальных входах открыт диод, присоединенный ко входу В. Два других диода закрыты высоким положительным потенциалом на катодах. На выходе возникает сигнал — 0. При наличии сигналов 1 на всех входах все диоды открыты и на выходе - сигнал 1.
Логические схемы И могут быть собраны на транзисторах (рис. 3). В схеме И для положительной логики используются транзисторы типа n — p — n (рис. 3, а). При наличии сигнала 0 на одном из входов соответствующий транзистор закрыт напряжением смещения Есм, так как напряжение сигнала 0 ниже Есм. Второй транзистор может быть открыт при сигнале на входе 1 (напряжение сигнала 1 выше Есм). Переход эмиттер — коллектор закрытого транзистора практически обрывает цепь питания, и на выходе возникает сигнал 0.
Рис. 3. Схема И на транзисторах
Когда на входах появляются сигналы 1, оба транзистора открыты и на выходе возникает сигнал 1. В схеме И для отрицательной логики (рис. 3, б) используются транзисторы типа р — n — р. Принципы работы данной и предыдущей схем аналогичны, однако полярность сигналов, смещения и питания обратная.
Моделью схемы ИЛИ может служить цепь, изображенная на рис. 4, а. Лампа загорится, если замкнуты контакты Р1, «ИЛИ» Р2, «ИЛИ» Р3.
Рис. 4. Схема ИЛИ на диодах
На выходе схемы ИЛИ возникает сигнал 1, если такой же сигнал подан на один или несколько входов. Схема ИЛИ является схемой сборки (информации); по какому бы каналу ни пришел сигнал 1, он появляется на выходе. Схема ИЛИ осуществляет логическое сложение, что подтверждается выражением:
у = х1 + х2 + ... + хn
Действительно, у = 0 при х1 = х2 = ... = хn = 0; у = 1, если на одном входе возникает сигнал 1, а на всех других — сигнал 0; у = 1 при х1 = х2 = ... = xn = 1 (следует помнить, что у и х могут иметь только два значения 1 или 0). Логическое сложение носит название дизъюнкции, поэтому схему можно назвать дизъюнктором.
Схема ИЛИ может быть собрана на диодах в варианте для положительной логики (Рис. 4, б) и для отрицательной логики (рис. 4, в). Принципы действия этих схем и логических схем И на диодах ничем не отличаются. При перемене уровня сигналов 1 и 0 схема ИЛИ может выполнять функции схемы И.
На рис. 5, а приведена схема ИЛИ на транзисторах для положительной логики. Схема имеет два входа А и В и один выход.
Рис. 5. Схема ИЛИ на транзисторах
Транзисторы типа n - p - n соединены параллельно и играют роль ключей. При наличии на входе сигнала 0 соответствующий транзистор закрыт напряжением смещения Есм; если на второй вход подан сигнал 1 с напряжением больше, чем Есм, то второй транзистор открыт и на выходе возникает сигнал 1. Схема ИЛИ для отрицательной логики (рис. 5, б) построена по такому же принципу, однако используются транзисторы типа р — n — р и изменена полярность сигналов и напряжений смещения и питания.
Логическая схема НЕ имеет один вход и один выход. Моделью схемы может служить электрическая цепь (рис. 6, а) с размыкающим контактом реле Р.
Рис. 6. Схема НЕ (инвертор)
При срабатывании реле (сигнал 1 на входе) лампа не горит (сигнал 0 на выходе), при отпускании реле (сигнал 0 на входе) лампа горит (сигнал 1 на выходе). Таким образом, схема НЕ является инвертором, т. е. преобразователем сигнала одного вида в противоположный.
Инверторы собирают на транзисторах по схемам, представленным для положительной логики на рис. 6, б и для отрицательной — на рис. 6, в. При наличии на входе сигнала 0 меньше Есм транзистор закрыт и на выходе возникает сигнал 1. Если на входе сигнал 1 больше Есм, транзистор открыт и на выходе сигнал 0.
Триггер как логический элемент может осуществлять функцию памяти, так как переходит из одного устойчивого состояния в другое при наличии запускающего или переключающего сигнала. Схема симметричного триггера с внешним смещением приведена на рис. 7, а.
Триггер представляет собой двухкаскадный усилитель, где выход одного каскада связан со входом другого делителем напряжения на резисторах R — Rб. Обычно схема выполняется симметричной, т. е. соответствующие резисторы плеч (каскадов), конденсаторы и транзисторы имеют одинаковые параметры.
Рис. 7. Симметрический триггер с внешним смещением
В схеме используется источник внешнего положительного смещения Еб, и база каждого транзистора имеет потенциал, значение которого лежит между +Еб и отрицательным потенциалом коллектора другого транзистора.
Предположим, что транзистор Т1 закрыт и напряжение на переходе эмиттер — коллектор U1к ≈ Ек (см. кривые напряжений, рис. 7, б).
При определенном подборе резисторов делителя R1 — R2б потенциал базы транзистора Т2 будет отрицательным для насыщения.
Открытое состояние транзистора Т2 увеличивает положительный потенциал на базе транзистора Т1 и поддерживает его закрытое состояние. Чтобы вывести схему из устойчивого состояния, необходимо подать на базу закрытого транзистора отрицательный запускающий импульс или на базу открытого — положительный.
Если под действием отрицательного импульса начнет открываться транзистор Т2 (начало координат), то возникнет ток в цепи коллектора и потенциал коллектора станет выше. Благодаря делителю R2 - R1б это же состояние будет на базе транзистора Т1, ток в цепи коллектора которого уменьшится, и потенциалы коллектора Т1 и базы Т2 станут ниже, что приведет к дальнейшему открыванию транзистора Т2. Процесс переключения триггера протекает лавинообразно, поэтому можно считать, что кривые коллекторных напряжений имеют прямоугольную форму.
Конденсаторы С1 — С2 называются ускоряющими и служат для форсирования процесса переключения триггера. В период паузы между переключениями триггера конденсатор, присоединенный к коллектору закрытого транзистора, заряжается базовым током открытого, в это же время второй конденсатор разряжается.
При лавинообразном переключении триггера базовый ток открывающегося транзистора проходит через разряженный конденсатор и не ограничивается резисторами R1 — R2.
Схема несимметричного триггера представлена в статье "Судовая пожарная сигнализация" - схема автоматического извещателя.
Синхронизирующие устройства определяют порядок работы и взаимодействие узлов и систем преобразователя. Наиболее простыми и распространенными являются схемы с трансформаторами (рис. 8, а). На первичные обмотки трехфазного трансформатора подаются напряжения управления со сдвигом 120°.
Рис. 8. Синхронизирующее устройство и векторная диаграмма выходных напряжений
Импульсы снимаются со вторичных обмоток и представляют собой напряжения между концами обмоток и нулевым проводом. Каждый тиристор может быть открыт одну треть периода и работает по одной шестой периода с двумя тиристорами второй группы (например, 4-й — с 3-м и 5-м).
Импульсы тиристоров одной группы сдвигаются на 120°, концы вторичных обмоток соединяются с управляющими векторами тиристоров согласно векторной диаграмме выходных напряжений (рис. 8, б). Вентили в цепи тока управления предохраняют тиристоры от возникновения отрицательного потенциала на управляющем электроде и от короткого замыкания между фазами переменного напряжения, которое подается на управляемый мост.
Для синхронизации импульсов используется точка перехода напряжения или тока через нуль. Эти точки имеют сдвиг 180° независимо от степени искажения формы кривой напряжения или тока. Схемы, вырабатывающие импульсы в момент перехода напряжения или тока через нуль, называются нуль-органами.
На рис. 9, а показаны нуль-орган с использованием логического элемента ИЛИ — НЕ. Напряжение Uвх на вторичной обмотке трансформатора преобразуется в два напряжения Uвх1 и Uвх2, находящихся в противофазе (рис. 9, б), так как одно напряжение направлено от конца обмотки к нулевой точке, а другое — наоборот. В каждый полупериод эти напряжения создают ток через стабилитроны Ст1 и Ст2.
Рис. 9. Нуль-орган с использованием логических элементов ИЛИ-НЕ
Напряжение стабилизации стабилитронов ограничивается напряжением Uогр. Резисторы R1 и RЗ служат добавочными и совместно со стабилитронами создают схемы стабилизации напряжения. Каждый полупериод стабилизированное напряжение подается на вход транзистора Т. Резисторы R2 и R4 ограничивают базовый ток транзистора.
Напряжение стабилизации выбирается больше напряжения смещения Еб, и транзистор открыт большую часть полупериода. В момент перехода напряжения через нуль напряжение смещения закрывает транзистор и на выходе возникает импульс Uвых, примерно равный напряжению питания Ек. Функцию ИЛИ - НЕ осуществляет транзистор в схеме. Если напряжение входа больше напряжения смещения Uвх > Еб, импульса нет, если Uвх меньше Еб — импульс есть. Для синхронизации работы многофазного выпрямителя такая схема должна быть включена в каждую фазу.
Датчики параметров служат для преобразования контролируемых параметров в преобразовательных устройствах (обычно тока и напряжения) в выходное напряжение. В большинстве случаев информация о напряжении и токе требуется в виде постоянного напряжения, для чего в датчике устанавливается выпрямитель и емкостный фильтр.
Датчики тока и напряжения (рис. 10) в трехфазной сети используют соответственно трансформаторы тока и напряжения. Трансформаторы тока устанавливаются во все три фазы и соединяются звездой (вторичные обмотки), переменное напряжение подается на выпрямитель, собранный по схеме Ларионова, а затем на делитель напряжения, состоящий из двух резисторов.
Рис. 10. Датчики параметров
На одном из устанавливается емкостный фильтр, и с него снимается напряжение пропорциональное среднему значению тока. В датчике напряжения используется трехфазный трансформатор напряжения, и выходное напряжение пропорционально среднему действующему значению переменного напряжения. К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности.
Выходное устройство предназначено для окончательного формирования и усиления импульсов управления. В качестве ключа в схемах выходных устройств могут применяться транзисторы или тиристоры. В схемах используются элементы, позволяющие формировать импульсы специальной формы, обеспечивающие форсировку включения тиристора.
На рис. 11 показан транзисторный вариант такой схемы. Конденсатор С в промежутках между подачей входных импульсов Uвх заряжается напряжением питания Ек. При подаче входного импульса между эмиттером и базой транзистора Т, если его значение больше напряжения смещения Еб, транзистор открывается и конденсатор С разряжается на первичную обмотку трансформатора. Скорость разряда конденсатора обеспечивает уменьшение тока в первичной обмотке трансформатора и максимальное значение вторичной э.д.с. и выходного напряжения Uвых.
Рис. 11. Схема для формирования импульсов специальной формы
После разряда конденсатора ток первичной обмотки ограничивается сопротивлением резистора R1. Диод Д1 шунтирует входную цепь транзистора при подаче Uвх обратного знака. При снятии входного импульса транзистор закрывается напряжением смещения Еб.
Прямого падения напряжения на диоде Д1 от напряжения смещения достаточно доя запирания транзистора Т. Резистор R2 ограничивает базовый ток. Диод Д2 в цепи вторичной обмотки трансформатора создает разрядный контур для вторичной э. д. с. обратной полярности.
Напряжение Uвых прикладывается между управляющим электродом и катодом тиристора, резистор R4 ограничивает ток управления тиристора. Многофазная схема выпрямления использует несколько выходных устройств, причем их число равно числу тиристоров в схеме.
