Файл: Автоматическое управление газотурбинными установками..pdf

Транзисторные логические элементы

Большое распространение в схемах промышленной автоматики получили транзисторные логические элементы. Это обусловлено возможностью строить всю систему управления, независимо от сложности, только на полупроводниковых приборах. При этом в основе всех подсистем — логической, контроля, преобразователей

о

Рис. III.8. Транзисторный ключевой усилитель, реализующий логическую операцию инверсии.

а — принципиальная схема; режимы в системе статических характеристик; б — входных, в — выходных.

непрерывных сигналов датчиков в дискретные и выходных усили­ телей'— 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 спе­ циально разработанная и выпускаемая для автоматизации промыпглен-

-ных установок серия транзисторных логических элементов «Логика Т»,

Воснову их положена схема полупроводникового усилителя, рабо­ тающего в ключевом режиме. Транзистор усилителя включен па

72

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.

Рассмотрим работу транзистора.

На рис. III.8, б приведены типичные входные статические вольтамперные характеристики транзистора для схемы включения с общим

к переходу коллектор — эмиттер, т. е. выходной сигнал имеет макси­ мальное значение: 'ІІВЫКя« Ек (точка В на рис. III.8, б).

Принципиально возможно повысить выходное напряжение (точка#') подачей на вход небольшого положительного потенциала. При этом ток эмиттера станет равным нулю, так как эмиттерный переход окажется смещенным в обратном направлении, а через транзистор будет протекать только обратный ток коллекторного перехода І к.б0, который во много раз меньше тока / к. э„ (см. рис. III.8, б). Описан­ ный режим называется режимом отсечки, и его границей принято считать состояние транзистора, когда напряжение на входе U6 э = 0. При подаче входного сигнала 27б э ток базы І 6 начинает увеличи­

переход оказывается включенным в прямом направлении, так как напряжение UK б меняет свой знак. При этом увеличение тока базы практически не приводит к увеличению коллекторного тока І к и к уменьшению падения напряжения на транзисторе U3, к — тран­ зистор входит в область глубокого насыщения. Границей этой области принято считать режим, когда напряжение база — коллектор равно нулю (ІІКшб = 0).

ввиде сигналов определенных, обычно двух, уровней. Для надеж­ ного, четкого разделения этих сигналов транзистор работает обычно

включевом режиме, характеризующемся двумя состояниями: состо­ янием отсечки (точка Б), при котором ток, протекающий через

транзистор, минимален, а напряжение на коллектре максимально

53

возможное (сигнал на выходе считается равным 1), -и состоянием насыщения (точка /1), когда ток коллектора наибольший, а падение напряжения на транзисторе близко к нулю (сигнал на выходе счи­ тается равным 0). При промежуточных значениях тока базы (меньше / б„ и больше /б,) состояние транзистора (І к и UK) характеризуется точками, находящимися на нагрузочной прямой, проведенной через точки а и b с координатами / к = EK/ R K, UK э = 0 и / к = 0, UK э =

=—Ек. Промежуточные состояния транзистора между точками А

иБ в логических элементах являются нерабочими.

Необходимо отметить, что нагрузочная прямая при R,u = оо является предельной, так как она определяется только коллектор­ ным сопротивлением. При подсоединении нагрузки к такому уси­ лителю наклон нагрузочной прямой увеличивается. Прямая как бы поворачивается вокруг точки а. Это объясняется тем, что сопро­ тивление нагрузки R Hи коллекторное сопротивление RK представ­ ляют собой делитель напряжения питания и при полностью закры­ том транзисторе (Ік — 0) напряжение на выходе (на коллекторе тран­ зистора) определяется соотношением R K и Rn: UK.3 = EKR„/(RK-{-RH) (линии і?н„ и Д„3).

Таким образом, приведенная схема реализует логическую функ­

цию инвертирования У = Х, так как при сигнале на ее входе, рав­ ном нулю (X — 0), напряжение на выходе принимает максимальное значение, т. е. сигнал выхода равен единице (У = 1), а при входном сигнале, насыщающем транзистор (X = 1), напряжение на выходе схемы близко к нулю (У — 0).

Обеспечение ключевого режима работы транзисторов в логических устройствах при работе одного инвертора на другой, когда происхо­ дит как бы каскадное соединение транзисторов, накладывает неко­ торые особенности на схему инвертора. Так, даже в режиме глу­ бокого 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 ста­ тический коэффициент усиления транзистора по току и его коллектор­ ный ток может достигнуть насыщения даже при малых значениях тока базы. Чтобы обеспечить надежный режим отсечки транзистора последующего элемента при малых входных сигналах, соответствую­ щих нулевому уровню, на базу каждого транзистора подается не­ большое положительное напряжение от источника смещения Есъи надежно запирающее, триод (см. рис. III.8, а). Очевидно, что обеспе­ чение режима насыщения в этом случае требует несколько умень­ шить сопротивление коллекторного резистора RK, так как базовый ток / б будет меньше на величину тока, ответвляющегося в сопро­ тивление смещения R CM.

Переходим к описанию логических элементов рассматриваемой серии. Ее основу составляет элемент Т101, содержащий две неза­ висимые логические схемы «стрелка Пирса» («или—не») (рис. III.9). Диодная часть схемы позволяет реализовать на входах логическую

74

функцию суммирования, а транзистор выполняет операцию инвер­ тирования 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.

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

Рис. III.9. Принципиальная схема элемента «Логика Т», содержащего две неза­ висимые схемы «или—не».

маломощный (Т102) и мощный (ТЮЗ) триггеры, а также две потенци­ ально-импульсные ячейки Т104 и Т105 на 5 и 500 гц. Подробное описание схем, принципа работы и параметров этих элементов можно найти во многих источниках [5, 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 вспомо­ гательные: 1) согласующий (Т201) для гальванического разделения цепей, релейный (Т202) для преобразования непрерывно изменя­ ющегося сигнала в сигналы двух уровней и элемент сравнения двух напряжений по величине (Т203); 2) четыре элемента времени, слу­ жащих 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 эле­ ментов осуществляется от специальных унифицированных блоков питания типа БПС, работающих от сети переменного тока промыш­ ленной частоты 50 гц (табл. III.3).

75