Logikgatter in Stromkreisen
Logikelemente sind Geräte, die eine bestimmte Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangswerten herstellen. Ein elementares Logikelement hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Die Signale an sie sind diskret, das heißt, sie nehmen einen von zwei möglichen Werten an – 1 oder 0. Das Vorhandensein einer Spannung wird manchmal als Eins und ihr Fehlen manchmal als Null angenommen. Die Funktionsweise solcher Geräte wird anhand der Konzepte der Booleschen Algebra – der Algebra der Logik – analysiert.
Geräte, die mit diskreten Signalen arbeiten, werden als diskret bezeichnet. Die Funktionsweise solcher Geräte wird anhand der Konzepte der Booleschen Algebra – der Algebra der Logik – analysiert.
Grundlagen der Algebra der Logik
Eine logische Variable ist ein Eingangswert, der nur zwei entgegengesetzte Werte annehmen kann: x = 1 oder x = 0. Eine logische Funktion ist die Abhängigkeit des Ausgangswerts vom Eingang und vom Ausgangssignal selbst, das ebenfalls nur zwei Werte annehmen kann : y = 1 oder y = 0. Eine logische Operation ist eine Aktion, die von einem logischen Element mit logischen Variablen gemäß einer logischen Funktion ausgeführt wird.Die Werte 1 und 0 sind einander entgegengesetzt (invertiert): 1 = 0, 0 = 1. Der Bindestrich bedeutet Negation (Invertierung).
Es wird angenommen, dass 0 • 0 = 0, 0 + 0 = 0, 1 – 0 = 0, 1 + 0 = 1, 1 • 1 = = 1, 1 + 1 = 1.
Bei der Transformation der Formeln der logischen Algebra werden zuerst Inversionsoperationen durchgeführt, dann Multiplikation, Addition und dann alle anderen.
Siehe auch zu diesem Thema: Gesetze der Kontaktschaltungsalgebra
Grundlegende logische Operationen werden hier besprochen: Logische Geräte
Logikelemente in Form von Relaiskontaktschaltungen
Die Logikelemente können in Form einer Relais-Kontakt-Schaltung dargestellt werden (Abb. 1).
Reis. 1. Grundlegende Logikelemente (a) und Relaiskontaktäquivalent (b)
Wenn wir davon ausgehen, dass geschlossene Kontakte einem Signal und offene Kontakte Null entsprechen, kann Element A als verbundene Kontakte x1 und x2 und Relais y dargestellt werden. Wenn beide Kontakte geschlossen sind, fließt Strom durch die Spule, das Relais schaltet und seine Kontakte schließen.
Das ODER-Element kann als zwei parallel geschaltete Schließerkontakte dargestellt werden. Wenn der erste oder zweite von ihnen geschlossen ist, wird das Relais aktiviert und schließt seine Kontakte, durch die das Signal geleitet wird.
Ein NOT-Element kann als ein Schließerkontakt x und ein Öffnerkontakt y dargestellt werden. Liegt am Eingang kein Signal an (x = 0), dann arbeitet das Relais nicht und die Kontakte von y bleiben geschlossen, es fließt Strom durch sie. Wenn Sie die x-Kontakte schließen, wird das Relais betätigt und seine Kontakte geöffnet, dann ist das Ausgangssignal Null.
In Abb. 2 zeigt eine Schaltung, die die ODER-NICHT-Operation ausführt.Wenn an keinem der Eingänge ein Signal anliegt, bleibt der Transistor geschlossen, es fließt kein Strom durch ihn und die Ausgangsspannung ist gleich der Quellen-EMK Uy = Uc, d.h. y = 1.
Reis. 2. Schema des logischen Elements ODER – NICHT, das logische Operationen ausführt
Wenn an mindestens einem der Eingänge eine Spannung angelegt wird, sinkt der Widerstand des Transistors von ∞ auf 0 und es fließt Strom durch die Emitter-Kollektor-Schaltung. Der Spannungsabfall am Transistor ist Null (Uy = 0). Dies bedeutet, dass am Ausgang kein Signal anliegt, also y = 0. Für den normalen Betrieb des Elements ist es notwendig, eine Verschiebung des Basispotentials relativ zum gemeinsamen Punkt zu erzeugen, dies wird durch eine spezielle Quelle Ucm erreicht und ein Widerstand Rcm. Der Widerstand R6 begrenzt den Basis-Emitter-Strom.
Die auf elektromagnetischen Relais, Transistoren, Magnetkernen, elektronischen Lampen und pneumatischen Relais aufgebauten Logikelemente sind zu groß, weshalb heute integrierte Schaltkreise verwendet werden. Logische Operationen in ihnen werden auf Kristallebene ausgeführt.
Beispiele für die Verwendung von Logikgattern in Schaltkreisen
Schauen wir uns einige elektrische Schaltkreisbaugruppen an, die am häufigsten in einem Elektroantrieb zu finden sind. In Abb. Figur 3a zeigt die Versorgungseinheit der Schützspule K.
Reis. 3. Schaltungsknoten mit Logikelementen: 1 – 8 – Eingangs- und Ausgangsnummern
Wenn die KNP-Taste gedrückt wird, fließt Strom durch die Leitung und das Schütz wird aktiviert. Seine Hauptkontakte (im Diagramm nicht dargestellt) verbinden den Motor mit dem Netzwerk, und die K-Kontakte umgehen beim Schließen die KNP-Taste. Durch diese Kontakte fließt nun Strom und der KNP-Taster kann losgelassen werden.Unter der Wirkung der Feder öffnet es seine Kontakte, die Spule wird jedoch weiterhin über die Kontakte K mit Strom versorgt. Beim Drücken der KnS-Taste wird die Leitung unterbrochen und das Schütz freigegeben.
Dieser Knoten kann auf logischen Elementen ausgeführt werden. Die Schaltung umfasst die Spule des Schützes K, die Tasten KNP und KNS, zwei Logikelemente ODER – NICHT und einen Verstärker. Der Anfangszustand ist x1 = 0 und x2 = 0, dann erhalten wir am Ausgang von Element 1 y1 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1. Am Ausgang von Element 2 — y5 = x3 + x4 = 1 + 0 = 0, t .is Die Spule ist ausgeschaltet, das Relais funktioniert nicht.
Wenn Sie KnP drücken, dann ist y1 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0. Am Ausgang von Element 2 ist y5 = x3 + x4 = 0 + 0 = 1. Strom fließt durch die Spule und das Schütz wird aktiviert. Am Eingang x2 liegt das Signal y2 an, y1 wird dadurch jedoch nicht verändert, da y1 = x1 + x2 = 1 + 1 = 0. Dadurch wird die Schützspule bestromt.
Wenn Sie die KNS-Taste drücken, wird am Eingang des zweiten Elements ein Signal x4 = 1 angelegt, dann y2 = x3 + x4 = 0 + 1 = 0 und das Schütz wird freigegeben.
Die betrachtete Schaltung ist in der Lage, Befehle zu „speichern“: Das Signal y2 bleibt unverändert, auch wenn die Taste losgelassen wird.
Die gleiche Speicherfunktion kann mit einem Flip-Flop erreicht werden. Wenn am Eingang ein Signal x1 = 1 angelegt wird, erscheint am Ausgang das Signal y = 1 und bleibt unverändert, bis wir die KnS-Taste drücken. Anschließend wird das Flip-Flop umgeschaltet und am Ausgang erscheint ein Signal y = 0. Es bleibt unverändert, bis wir erneut die KNP-Taste drücken.
In Abb. In Abb. 3, b zeigt einen Block zur elektrischen Blockierung zweier Relais PB (vorwärts) und PH (rückwärts), der deren gleichzeitigen Betrieb ausschließt, da dies zu einem Kurzschluss führen würde.Tatsächlich wird beim Drücken der KnV-Taste das PB-Relais aktiviert und seine Hilfskontakte geöffnet, und die PH-Spule kann nicht mit Strom versorgt werden, selbst wenn die KnN-Taste gedrückt wird. Beachten Sie, dass hier keine Betätigung der Schließkontakte der Tasten erfolgt, also kein Speichermodul vorhanden ist.
Wenn wir in einer Schaltung mit logischen Elementen die KNV-Taste am ersten Element drücken, erhalten wir x1 = 1, y2 = x1 = 0. Am zweiten Element erhalten wir y7 = x5 + x6 = y2 + x6= 0 + 0 = 1
Das Relais PB wird aktiviert und das Signal y7 wird an den Eingang von Element 4 angelegt (y7 — x8 = 1). Liegt am Eingang von Element 3 (x2 = 0) kein Signal an, dann ist y4 = x2 = 1. Am vierten Element gilt: y10 = x8 + x9 = x8 + y4 = 1 + 1 = 0, d. h. das PH-Relais kann nicht funktionieren , auch wenn die KnN-Taste gedrückt wird. Dann erhalten wir das gleiche Ergebnis: 10 = x8 + x9 = = x8 + y4 = 1 + 0 = 0.
In Abb. In Abb. 3, c zeigt das Freigaberelais bei Betätigung des Tasters KnS oder Öffnen der Kontakte des Endschalters VK. In einer Schaltung mit Logikelementen in der Ausgangsstellung y3 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1 ist die Relaisspule erregt. Wenn Sie die KnS-Taste drücken, erhalten wir y3 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0 und das Relais wird freigegeben.
In Abb. In Abb. 3, d zeigt die Vorrichtung zum Einschalten des Relais beim Drücken der KNP-Taste bei geschlossenem VK-Kontakt. In einer Schaltung mit Logikelementen im Normalzustand der Kontakte erhalten wir y7 = NS6 = y6 = NS4 = y3 = x1x2 = 0 • 0 = 0. Wenn nur die KNP-Taste gedrückt wird, dann ist y7 = x1x2 = 1 • 0 = 0. Wenn nur der VK-Kontakt geschlossen ist, dann ist y7 = = x1x2 = 0 • 1 = 0. Wenn KNP geschlossen ist und VK, erhalten wir y7 = x1x2 = 1 • 1 = 1. Dies bedeutet, dass das Relais aktiviert ist.
In Abb. In Fig. 3 zeigt e eine Steuerschaltung für zwei Relais P1 und P2.Beim Anlegen von Spannung an den Stromkreis wird das Zeitrelais PB aktiviert, seine Kontakte in Leitung 3 öffnen sofort. Die Schaltung ist betriebsbereit. Wenn die KNP-Taste gedrückt wird, wird das Relais P1 aktiviert, seine Kontakte schließen und umgehen die Taste. Andere Kontakte auf Leitung 2 öffnen und auf Leitung 3 schließen. Das Relais PB fällt ab und seine Kontakte schließen zeitverzögert, das Relais P2 wird aktiviert. Somit wird nach dem Drücken der KNP-Taste das Relais P1 sofort und P2 nach einiger Zeit aktiviert.
In einer Schaltung mit Logikelementen ist der „Memory“-Knoten auf einem Flip-Flop aufgebaut. Am Ausgang liegt kein Signal an (y3 = 0), die Relais P1 und P2 sind abgefallen. Drücken Sie die KNP-Taste, am Triggerausgang erscheint ein Signal. Relais P1 wird aktiviert und das EV-Element beginnt zu synchronisieren.
Bei Auftreten des Signals y5 = 1 wird das Relais P2 aktiviert. Wenn Sie die KnS-Taste drücken, wird der Auslöser geschaltet und dann ist y3 = 0. Die Relais P1 und P2 werden freigegeben.
Typische Baugruppen mit Logikelementen werden häufig in komplexeren Schaltkreisen verwendet, und solche Schaltkreise sind viel einfacher als Schaltkreise für Relais-Schütz-Geräte.