8. Логические операции с непрерывными величинами

Электронные логические элементы широко применяются не только в цепях, передающих дискретные сигналы, но и при обработке информации, доставляемой непрерывно изменяющимися напряжениями или токами. В последнем случае логическим элементам необходимо делать выбор не между двумя величинами "1" и "0", а бесконечным множеством значений плавно изменяющегося напряжения (тока). Поэтому к логическим элементам предъявляются очень высокие требования в отношении точности и стабильности (во времени) их работы.

Прежде чем приступить к рассмотрению некоторых примеров использования логических электронных элементов, познакомимся с одним важным свойством схемы "ИЛИ" при подаче на ее входы непрерывно изменяющихся напряжений.

Предположим (рис. 2.61), имеется три непрерывно изменяющихся напряжения: u₁, u₂ и u_a; причем в рассматриваемый момент времени напряжение u₁ больше напряжений u₂ и u₃. Под воздействием напряжения u₁ по сопротивлению R будет проходить ток, равный i₁. Это равносильно тому, что на сопротивлении R имеется напряжение u_R = Ri₁ = u₁. Но так как напряжение u₁ больше напряжений u₂ и u₃, то вентили 2 и 3 будут заперты и ток по цепям, в которых они включены, проходить не будет. Следовательно, ток будет проходить только по той цепи, к которой приложено максимальное напряжение. Поэтому, если в цепях трех вентилей включить сигнальные лампочки, то будет "гореть" только та из них, через которую проходит максимальный ток. При этом, естественно, сопротивление сигнальной лампочки должно быть на один-два порядка ниже сопротивления R. В противном случае наличие лампочки будет вносить существенные ошибки в работу схемы.

Рис. 2.61. Определение максимального напряжения при помощи логического элемента 'ИЛИ'

Из сказанного следует, что напряжение на выходе схемы "ИЛИ" (D) равно максимальному из напряжений, приложенных на вход схемы.

Таким образом, схема "ИЛИ" дает возможность выбрать из нескольких напряжений максимальное, измерить его и указать цепь, куда это напряжение приложено.

Рассмотрим теперь схему "ИЛИ", у которой имеется два входа: А и В (рис. 2.62). На один из этих входов подадим эталонное напряжение (u_эт), а на другой - переменное измеряемое (u). Легко увидеть, что через сопротивление r₁ ток будет проходить только в том случае, когда измеряемое напряжение меньше эталонного. Поэтому на выходе С появится напряжение только тогда, когда будет иметь место неравенство u < u_эт. Аналогично этому на выходе D сигнал появится в том случае, когда u > u_эт.

Рис. 2.62. Схема сравнения двух напряжений

Следовательно, схема рис. 2.62 дает возможность проводить сравнение заданного напряжения с эталонным, т. е. получать сигнал в том случае, когда это напряжение больше (или меньше) эталонного.

Рассмотрим некоторые примеры применения электронных логических элементов в цепях непрерывного тока.

а) Определение максимального значения тока трех параллельно включенных двигателей

Включим в цепь якоря каждого двигателя одинаковые сопротивления (рис. 2.63). Тогда напряжения на этих сопротивлениях будут пропорциональны токам двигателей. Эти (три) напряжения подадим на схему "ИЛИ". Поэтому вольтметр, включенный на выход этой схемы, будет измерять то из трех поданных на вход напряжений, которое является максимальным. Если вольтметр отградуировать в амперах, то он будет показывать ток того двигателя, который является наибольшим. При этом сигнальная лампочка "горит" в той цепи, ток которой измеряется.

Рис. 2.63. Схема определения максимального тока двигателей

б) Автоматический запуск двигателя постоянного тока

Рассмотрим схему (рис. 2.64), в которой пуск двигателя осуществляется последовательным замыканием двух сопротивлений, включенных в цепь якоря двигателя. При включении контактора 1 в якоре двигателя появляется максимальный по величине ток (точка а, рис. 2.65). По мере увеличения скорости вращения двигателя этот ток уменьшается и в тот момент, когда ток достигнет минимального значения (точка b), включается контактор 2 и происходит скачок тока (точка с); когда вновь ток достигнет минимума (точка d), включается контактор 3.

Рис. 2.64. Схема запуска двигателя

Рис. 2.65. Диаграмма токов при запуске

Включение контактора 1 происходит сигналом, поступающим извне. Включение же контакторов 2 и 3 должно производиться по следующим логическим правилам:

а) если контактор 1 включен и i ≤ i_min, то включить контактор 2;

б) если напряжение на двигателе при увеличении его скорости вращения достигло u_min и i ≤ i_min, то включить контактор 3;

в) если контактор 1 отключен, то выключить контакторы 2 и 3.

Последнее условие необходимо для подготовки схемы к следующему запуску двигателя.

Логическая схема, выполняющая указанные правила, показана на рис. 2.66. Схема имеет четыре входа. На вход А подается сигнал о включении контактора 1 (замыкание блокконтактов контактора рис. 2.64). На вход В элемента сравнения потоку, выполненного по схеме рис. 2.62, подается напряжение (u), пропорциональное току двигателя. На вход С включается эталонное напряжение (u_эт), а на вход D - напряжение на двигателе (u_дв). Благодаря этому на выходе логического элемента ("ИЛИ₁") сигнал появляется тогда, когда ток двигателя уменьшится до минимального значения (i ≤ i_min). Аналогично на выходе элемента сравнения "ИЛИ₂" сигнал появляется тогда, когда напряжение на двигателе в процессе его разгона превысило величину u_min.

Рис. 2.66. Логическая схема запуска двигателя

Рассмотрим, как работает эта схема. При включении контактора 1 на входе А появляется единица. После того как ток двигателя, уменьшаясь, достигнет i_min, появится единица на выходе элемента "ИЛИ₁". Тогда и на выходе элемента "И₁" появится сигнал и контактор 2 (рис. 2.64) будет включен. После включения контактора 2 ток двигателя скачком увеличивается, а затем начинает уменьшаться. Одновременно с этим растет напряжение на двигателе. В тот момент, когда будут иметь место неравенства i < i_min и u_дв > u_min, на выходе элемента "ИЛИ₂" появится сигнал и осуществится включение контактора 3.

При отключении контактора 1 катушки контакторов 2 и 3 и логическая схема рис. 2.66 обесточиваются, благодаря чему схема рис. 2.64 вновь готова к работе.

в) Двухрежимный автоматический регулятор заряда аккумуляторной батареи

Одним из оптимальных режимов заряда батареи является метод, при котором вначале батарея заряжается при постоянном токе (рис. 2.67). В процессе заряда батареи ее напряжение постепенно увеличивается, и когда оно достигнет максимального значения, необходимо переключить регулятор заряда на другой режим - заряд при неизменном напряжении батареи.

Рис. 2.67. Схема заряда аккумуляторной батареи

Этот переключатель может быть выполнен при помощи простой логической схемы, состоящей из двух элементов (рис. 2.68). Схема имеет два входа, на которые подаются напряжение батареи (u_б) и эталонное напряжение (u_эт). В момент, когда напряжение батареи достигнет максимального значения, на выходе элемента сравнения появится сигнал переключения (С) регулятора заряда в режим постоянного напряжения. Одновременно с этим исчезнет сигнал (D), переключающий регулятор в режим постоянного тока.

Рис. 2.68. Логическая схема переключателя режимов