Бесконтактные логические элементы

Развитие средств автоматического управления производственными процессами и возрастающие требования к устройствам автоматики привели к необходимости применения в них новых приборов и устройств, позволяющих решать задачи автоматического управления на более высоком уровне. К числу таких устройств относятся бесконтактные логические элементы, реализующие те или иные логические функции. Их применение в схемах автоматики вызвано тем, что при автоматическом управлении всевозможными технологическими процессами и машинами большинство выполняемых операций носит характер логических решений. Единичный простейший логический элемент реализует и простую логическую операцию.

Простейшую логическую функцию выполняют электромагнитные реле при замыкании или размыкании своего контакта. Логическая функция реле поясняется на рис. 2.29. Если на обмотку реле K подаётся управляющее напряжение , которое можно считать входным сигналом x реле, то реле срабатывает и замыкает контакт K, в результате замыканием контакта вырабатывается сигнал выхода y в виде управляющего напряжения . Замкнутое состояние контакта реле соответствует простейшей логической операции «Утверждение», называемой также операцией ДА (разрешение на включение). Размыкание контакта соответствует логической операции «Отрицание», или операции НЕ (запрет на включение устройства после размыкания контакта).

Рис. 2.29. Схема, поясняющая логическую функцию электромагнитного реле

Логическая операция ДА соответствует условно названному состоянию логической единицы (логическая 1), а логическая операция НЕ соответствует состоянию логического нуля (логический 0). Такие же состояния можно перенести на входной сигнал x и выходной сигнал y: наличие сигнала соответствует состоянию логической единицы, отсутствие – состоянию логического нуля (для краткости или ; или ).

Релейно-контактная аппаратура, длительное время применявшаяся для замыкания и размыкания электрических цепей с помощью механического контакта и выполнения при этом различных логических операций, имеет ряд существенных недостатков: сравнительно низкую надёжность из-за обгорания контактов, большую массу и габариты, невозможность использования во взрывоопасных и агрессивных средах, значительное потребление энергии.

Современные технические средства промышленной электроники позволяют выполнять замыкание и размыкание электрической цепи на бесконтактном принципе. Для этих целей применяются различные полупроводниковые устройства – преимущественно диоды и транзисторы.

Бесконтактные логические элементы, выполненные на основе полупроводниковых устройств, обладают целым рядом преимуществ, важнейшими из которых являются: долговечность работы, малые габариты, быстродействие, высокая чувствительность к входным управляющим сигналам, малая чувствительность к условиям внешней среды, отсутствие необходимости в постоянном эксплутационном уходе, малое потребление энергии, низкая стоимость, технологичность изготовления, высокая надёжность.

Не вдаваясь в техническую реализацию логических элементов (внутреннюю структуру), можно анализировать их состояние, учитывая при этом, что значение сигнала выхода зависит от сигналов входа в соответствии с той функцией, которую выполняет тот или иной логический элемент. Логические элементы обозначают в соответствии с ГОСТ 2.743-82 упрощённым символом – прямоугольником, добавляя в прямоугольнике те или иные знаки. В соответствии с принятыми обозначениями, логический элемент ДА примет вид, как показано на рис. 2.30, а его состояние выразится такой записью: если , то ; если , то .

Рис. 2.30. Условное обозначение логического элемента ДА	Рис. 2.31. Условное обозначение логического элемента НЕ

Логический элемент НЕ обозначается в соответствии с рис. 2.31, а его состояние можно представить записью: если , то ; если , то .

Кроме простейших логических элементов, выполняющих функции ДА, НЕ, имеются другие, выполняющие более сложные логические функции. К ним относятся наиболее часто применяющиеся основные логические элементы ИЛИ, ИЛИ – НЕ, И, И – НЕ, ПАМЯТЬ. В этих логических элементах число входов всегда не менее двух. Условные обозначения основных логических элементов приведены в табл. 2.2.

Т а б л и ц а 2.2

Условные обозначения логических элементов и их состояния

Логический элемент	Условное обозначение	Возможные состояния
ИЛИ		x 1 = 1 x 2 = 0 y = 1 x 1 = 0 x 2 = 1 y = 1 x 1 = 1 x 2 = 1 y = 1 x 1 = 0 x 2 = 0 y = 0
ИЛИ – НЕ		x 1 = 1 x 2 = 0 y = 0 x 1 = 0 x 2 = 1 y = 0 x 1 = 1 x 2 = 1 y = 0 x 1 = 0 x 2 = 0 y = 1
И		x 1 = 1 x 2 = 0 y = 0 x 1 = 0 x 2 = 1 y = 0 x 1 = 1 x 2 = 1 y = 1 x 1 = 0 x 2 = 0 y = 0
И – НЕ		x 1 = 1 x 2 = 0 y = 1 x 1 = 0 x 2 = 1 y = 1 x 1 = 1 x 2 = 0 y = 0 x 1 = 0 x 2 = 0 y = 1
ПАМЯТЬ		x 1 = 1 x 2 = 0 y 1 = 1 y 2 = 0 x 1 = 0 x 2 = 1 y 1 = 0 y 2 = 1

В соответствии с табл. 2.2 в логическом элементе ИЛИ при наличии сигнала логической 1 хотя бы на одном из входов – на выходе – сигнал принимает значение логической 1. Если все входные сигналы равны логическому нулю, то сигнал на выходе элемента ИЛИ равен логическому нулю. Такие логические операции соответствуют логическому сложению.

Логический элемент ИЛИ – НЕ выполняет операцию логического сложения с отрицанием результата.

Логический элемент И выполняет функцию логического умножения: при наличии сигнала логической 1 на всех входах – на выходе – устанавливается сигнал логической 1, если хотя бы на одном из входов сигнал принимает значение логического 0 – на выходе – также устанавливается сигнал логического 0.

Логический элемент И – НЕ выполняет функцию логического умножения с отрицанием результата.

В логическом элементе ПАМЯТЬ (в простейшем исполнении) имеется два входа и два раздельных выхода – y ₁, y ₂. По условиям работы этого элемента нельзя подавать сигнал логической 1 одновременно на оба входа: если на входе x ₁ имеется сигнал, равный логической 1, то на входе x ₂ – сигнал логического 0, при этом на выходе y ₁ элемента устанавливается сигнал логической 1, на выходе y ₂ – сигнал логического 0. Если на входе x ₁ сигнал логической единицы заменить сигналом логического нуля, то значения выходных сигналов не изменятся, т. е. действие входного сигнала, ранее имевшего значение логической единицы, элементом ПАМЯТЬ «запомнилось». Изменить значение выходных сигналов возможно, если на вход x ₂ подать сигнал логической 1.

Логические элементы ИЛИ – НЕ, И – НЕ являются базовыми, поскольку на их основе можно выполнять различные логические операции за счёт соединения их в определённой последовательности.

Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент различных логических элементов в микросхемном исполнении. Обычно несколько однотипных логических элементов помещаются в один миниатюрный корпус, имеющий несколько внешних выводов.

Логические элементы применяются как в относительно простых схемах управления, так и в сложных схемах цифровой автоматики с «жёсткой» программой. «Жёсткая» программа управления определяется системой внешних соединений между отдельными логическими элементами, в результате программа управления не может быть изменена без перепайки внешних соединений.