4. Диодная матрица

Диодная матрица состоит из перекрещивающихся горизонтальных и вертикальных проводов, называемых шинами (рис. 2.27). По заданной программе вертикальные и горизонтальные шины в нужных точках пересечения соединим при помощи полупроводниковых диодов. Горизонтальные шины обычно являются входными, а вертикальные - выходными.

Рис. 2.27. Схема диодной матрицы

Соединение точек пересечения выполняется диодами для того, чтобы исключить появление ложных сигналов на выходе. Так, например, в матрице, показанной на рис. 2.27, в тех точках, где установлены диоды, соединим накоротко горизонтальные и вертикальные шины. Если на горизонтальную шину а подать положительное напряжение, то сигнал появится на всех вертикальных шинах. При наличии диодов напряжение появится (как это предусмотрено программой, заложенной в матрице) только на третьем и первом выходах.

Поскольку диодная матрица "помнит" правила (программу) преобразования сигналов, поданных на ее входы, то ее часто называют диодно-матричной памятью. В зависимости от схемы включения диодная матрица может выполнять различного рода сложные логические операции в системах автоматического управления. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи применения диодной матрицы.

а) Сложная схема "ИЛИ"

Каждая выходная шина матрицы, схема которой показана на рис. 2.27, выполняет логическую операцию "ИЛИ". Так, например, выходная шина 3 осуществляет логическую операцию

Благодаря этому матрица позволяет осуществлять преобразование сигналов в двоичный код.

Рассмотрим это преобразование на примере матрицы, показанной на рис. 2.27. Примем, что каждая вертикальная шина является определенным разрядом двоичного числа. Тогда при подаче положительного напряжения на горизонтальную шину а сигналы появятся на 1 и 3 вертикальных шинах. Следовательно, на выходе матрицы получится число 1010. Этим горизонтальной шине а присваивается число 1010, или, как говорят, шина а закодирована числом 1010. Аналогично происходит кодировка других входных шин. В результате получается следующий код сигналов, поданных на входы матрицы (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Код сигналов

Рассмотрим пример использования матрицы, выполняющей сложную операцию "ИЛИ" в системе автоматического управления сигнализацией на железнодорожном вокзале.

Предположим, что задано следующее расписание движения поездов (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Расписание движения поездов

Схему автоматического управления сигнализацией осуществим следующим образом. На вход матрицы (рис. 2.28) включим датчик времени, который в 12 час. 37 мин. подаст положительное напряжение на шину a, в 14 час. 05 мин. - на шину b и т. д. В соответствии со схемой диодная матрица (при подаче напряжения на одну из ее горизонтальных шин) выдаст кодированный двоичный сигнал. Дешифратор расшифрует этот сигнал и включит соответствующие световые указатели.

Рис. 2.28. Схема автоматического управления сигнализацией

Рассмотрим, как для этого случая составляется матрица.

Направления поездов могут быть закодированы следующим образом:

Рига-Москва  . . . . . 001 
Рига-Ленинград . . . . 010 
Рига-Симферополь . . . 011 
Рига-Лиепая  . . . . . 100

Аналогично кодируются тип поезда и номер перрона, с которого он отправляется:

Скорый . . . . . . . . 01     Перрон № 1 . . . . . 01 
Пассажирский . . . . . 10     Перрон № 2 . . . . . 10 
                              Перрон № 3 . . . . . 11

Поскольку информацию о направлении поезда, его типе и номере перрона необходимо иметь одновременно, то все три матрицы могут иметь общие горизонтальные шины.

Полученные матрицы показаны на рис. 2.29. В 12 час. 37 мин. на горизонтальную шину a этой матрицы датчик времени включит положительное напряжение (подаст на шину единицу). Тогда на выходе первой матрицы (направление) появится сигнал 001, что означает "Рига-Москва". На выходе второй матрицы (тип поезда) будет сигнал 01, что соответствует сообщению "скорый поезд". И, наконец, на выходе третьей матрицы будет сообщено о перроне № 1 (01). Аналогично работают матрицы при подаче сигнала на другие горизонтальные шины.

Рис. 2.29. Кодирующая матрица

Если меняется информация о поездах, то вносится соответствующее изменение в схемы матриц. Например, поезд "Рига-Москва" необходимо отправлять не с первого перрона, а со второго. В этом случае в матрице "номер перрона" необходимо выключить диод, соединяющий горизонтальную шину a с нулевой вертикальной шиной, и соединить диодом шину a с первой вертикальной.

В случае, когда в изменении схемы матрицы нет необходимости, диоды припаиваются к соответствующим шинам матрицы. Если же эта схема должна изменяться, то диоды соединяются с шинами при помощи винтов или защелок.

Для того чтобы использовать двоичные сигналы, получающиеся на выходе матрицы, их необходимо расшифровать. Схема простейшего дешифратора для сигнализации о номерах перронов, построенная на электромагнитных реле, показана на рис. 2.30. Матрица, в которой записана информация о номерах перронов, имеет две вертикальные выходные шины (в ней записаны двухразрядные числа). Поэтому дешифратор выполнен в виде двух электромагнитных реле. На катушку левого реле подается напряжение вертикальной шины матрицы, соответствующей первому разряду, а на катушку правого реле - напряжение шины, соответствующей нулевому разряду. Если на катушке напряжение отсутствует, то контакты находятся в верхнем положении (нуль). При подаче напряжения на катушку контакты реле переключаются в нижнее положение (единица).

Рис. 2.30. Дешифратор для информации о номерах перронов

Работает дешифратор следующим образом. Предположим, что на выходе матрицы "номер перрона" появился сигнал 10. Тогда левое реле включится, а правое - нет. Загорится лампочка "перрон № 2". Аналогичным образом работает дешифратор и при других сигналах матрицы.

Дешифраторы для матриц "направление" и "тип поезда" строятся по тому же принципу, что и дешифратор матрицы "номер перрона".

В некоторых случаях количество вертикальных шин матрицы может быть выбрано равным числу аппаратов, которые матрица должна включать. В этих случаях необходимость в дешифраторе отпадает и сигналы с вертикальных шин передаются непосредственно к управляемым аппаратам.

Рассмотрим пример такой матрицы: программное устройство для автоматического включения (и отключения) параллельно работающих трансформаторов.

Имеется трансформаторная подстанция, преобразующая напряжение 35 кв в напряжение 6 кв. На этой подстанции установлено три трансформатора мощностью 1, 3 и 5 ква (рис. 2.31). Задача состоит в том, что необходимо включать те или иные трансформаторы в зависимости от мощности, проходящей через подстанцию. Это позволит экономить электроэнергию за счет уменьшения потерь холостого хода в трансформаторах. Так, например, если через подстанцию проходит мощность 3 ква, то нужно включить трансформатор 3 ква, а остальные - выключить.

Рис. 2.31. Схема трансформаторной подстанции

Создадим коммутатор, который в зависимости от мощности, проходящей через подстанцию, будет включать соответствующий контакт схемы рис. 2.32: если мощность равна 1 ква, то включается контакт 1, если W = 2 ква, - то контакт 2 и т. д. Поскольку наибольшая мощность, которая может проходить через подстанцию, равна 9 ква, то таких контактов будет девять.

Включим контакты этого коммутатора на девять горизонтальных шин (рис. 2.32). Вертикальные шины матрицы подадим к выключателям, включающим трансформаторы на сборные шины подстанции. Установим в матрице диоды так, чтобы мощность включаемых трансформаторов была равна мощности, проходящей через подстанцию. Так, например, на шестой шине мощность равна 6 ква. Поэтому эту шину соединим диодами с первой и третьей вертикальными шинами, что обеспечит включение двух трансформаторов мощностью 5 и 1 ква.

Рис. 2.32. Матрица для включения трансформаторов

Полученная матрица осуществляет следующие сложные логические высказывания:

а) "включить трансформатор мощностью 1 ква, если проходящая через подстанцию мощность равна 1, или 4, или 6, или 9 ква";

б) "включить трансформатор 3 ква, если мощность равна 2, или 3, или 4, или 7, или 8, или 9 ква";

в) "включить трансформатор 5 ква, если мощность равна 5, или 6, или 7, или 8, или 9 ква".

Если в рассмотренных выше матрицах поменять местами входы и выходы, то получатся матрицы, выполняющие сложную логическую операцию "И".

б) Сложная схема "И"

Принципиальная схема матрицы, предназначенной для выполнения сложной логической операции "И", показана на рис. 2.33. Эта матрица в противоположность матрице, показанной на рис. 2.27, преобразует двоичную информацию в сигнал управления тем или иным аппаратом. Поэтому она является дешифратором.

Рис. 2.33. Матрица, выполняющая сложную операцию 'И'

В цепи катушек переключателей 0, I, II и III, являющихся входами, подается четырехразрядная двоичная информация. Так, например, пусть необходимо включить аппарат А при наличии двоичного сигнала 1010. Подключим аппарат А к вертикальной шине, которую соединим диодами с горизонтальными шинами по схеме, показанной на рис. 2.33.

Напряжение на приборе А появится только в том случае, если III и I переключатели будут находиться в нижнем положении (в III и I разрядах числа имеются единицы), а II и 0 переключатели - в верхнем положении (во II и 0 разрядах - нули). В противном случае аппарат А будет зашунтирован одним из диодов и напряжение на нем будет равно нулю.

Аналогично обеспечивается включение аппарата В при подаче числа 1001.

Количество вертикальных шин матрицы определяется числом аппаратов, которые включаются матрицей. Поэтому матрица может иметь одну и более вертикальных шин. Количество горизонтальных шин равно двойному количеству разрядов закодированного двоичного числа.

Размещение диодов в матрице (рис. 2.33) осуществляется по следующему правилу: на вертикальной шине необходимо набрать число, получающееся при замене у заданного числа единиц нулями, а нулей - единицами. Так, например, если в схеме рис. 2.33 аппарат А должен срабатывать при поступлении на матрицу числа 1010, то на вертикальной шине необходимо набрать при помощи диодов число 0101.

Рассмотрим в качестве примера матрицу, выполняющую сложную операцию "И" и предназначенную для расшифровки двоичного сигнала "направление" (рис. 2.29).

Как было показано выше, матрица рис. 2.29 осуществляет следующую кодировку:

Рига-Москва  . . . . . . 001 
Рига-Ленинград . . . . . 010 
Рига-Симферополь . . . . 011 
Рига-Лиепая  . . . . . . 100

Кодировка осуществляется трехзначными числами. Поэтому составляемая нами дешифрирующая матрица должна иметь три двойных входа. Поскольку имеется четыре различных световых указателя, то в матрице необходимо иметь четыре вертикальные шины. Схема матрицы, выполняющей необходимую расшифровку и управляющей световыми указателями, показана на рис. 2.34.

Рис. 2.34. Матрица управления сигналами 'направление'