ОРГАНЫЛОГИКИ НА ИМС
Для выполнения ЛЭ используются цифровые ИМС, предназначенные для преобразования входных двоичных сигналов высокого и низкого уровней (1 и 0) в дискретные выходные сигналы. По выполняемым функциям цифровые микросхемы можно подразделить на схемы, выполняющие логические операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, И, НЕ, ИЛИ (логические схемы), и на схемы функциональных узлов (триггеры, счетчики, дешифраторы и др.). Эта группа ИМС выполняется в виде различных сочетаний типовых логических схем. На чертежах микросхемы изображаются и обозначаются так же, как и соответствующие им логические элементы (см. рис.2.72).
Как правило, одна микросхема обычно состоит из нескольких однотипных логических схем. При этом каждая схема имеет выведенные из корпуса входы и выходы и два общих для всех схем вывода для подсоединения источника питания (рис.2.78, а). При таком исполнении каждая из схем, входящих в микросхему, может использоваться как самостоятельный ЛЭ в разных частях логической схемы РЗ.
Свойства логических микросхем характеризуются параметрами, которые приводятся для разных типовых микросхем в справочниках по ИМС. Для устройства РЗ наиболее важными являются следующие параметры:
помехоустойчивость, определяемая значением наибольшего допустимого напряжения UПОМ mах, поступающего на вход микросхемы, при котором не происходит ее переключения из исходного состояния в состояние срабатывания и наоборот;
мощность, потребляемая от источника питания при действии и недействии микросхемы;
нагрузочная способность микросхемы, характеризуемая числом микросхем, аналогичных рассматриваемой, которые можно подключить к ее выходу;
коэффициент объединения по входу, определяющий наибольшее число входных сигналов, которые можно допустить для данной микросхемы.
Промышленность выпускает цифровые ИМС в виде серий, содержащих по несколько различных по функциям микросхем (до 10 и более). Серии различаются по составу входящих в них микросхем и по их параметрам. Схемы одной серии имеют одинаковое конструктивно-технологическое исполнение и могут соединяться последовательно друг с другом (выход с входом) без согласующих элементов. Каждая серия имеет базовую логическую схему, на основе которой выполняются все микросхемы, входящие в серию.
В логических и функциональных устройствах РЗ, выпускаемых и подготовляемых к выпуску заводом ЧЭАЗ, используются микросхемы в основном серий К511 и К155 на биполярных транзисторах, а также К176 на КМОП. Логические микросхемы первых двух серий выполняются на базовой схеме И-НЕ. Серия МС К176 использует схемы, выполняющие операции И либо ИЛИ.
Все разновидности этих схем имеют общую структуру, приведенную на рис.2.76, в, г. Они состоят из двух основных элементов (схем): одного – выполняющего операцию И, второго – выполняющего операцию НЕ. Последняя всегда реализуется по схеме транзисторного инвертора, выполняющего одновременно функцию усиления выходного сигнала и формирования уровня выходного сигнала. Операция И обычно выполняется на резисторах, диодах или транзисторах.
Исходя из элементов, на базе которых выполняются логические элементы И или НЕ, логические схемы подразделяются на резисторно-транзисторные ИМС, диодно-транзисторные логические устройства (ДТЛ) и транзисторно-транзисторные (ТТЛ).
Диодно-транзисторный ЛЭ И-НЕ. На рис.2.79 показан ЛЭ на микросхеме ДТЛ. Схема состоит из элементов И, НЕ и смещения. Элемент И состоит из трех диодов VD1, VD2, VD3 (по числу входных сигналов) и резистора R1, через который на выход схемы И (в точке m) подается опорное напряжение положительного знака + ЕП от источника питания.
Элемент НЕ выполнен в виде однокаскадного инвертора на транзисторе VT1, на базу которого подается сигнал (напряжение UY) с выхода схемы И. Он преобразуется транзистором VT1 в выходной сигнал UВЫХ (точка Y) с инвертированием его уровня. В цепь базы VT1 включены два диода, называемые диодами смещения VD1CM и VD2CM. Эти диоды увеличивают пороговое напряжение, необходимое для открытия транзистора VT1 и срабатывания ЛЭ микросхемы, повышая этим отстройку элемента микросхемы от помех:
где Um и Uэ.бVT1 – напряжения открытия диода и эмиттерного перехода VT1 соответственно.
Напряжение, необходимое для открытия кремниевых диодов, UOT.Д = 0,5 ÷ 0,6 В, а для открытия транзистора Uот.VT1 = 0,4 ÷ 0,5 В. Следовательно, Um = 1,4 ÷ 1,7 В, а при отсутствии диодов U'm = 0,5 ÷ 0,6 В.
Допустим, что на всех входах одновременно появились единичные сигналы в виде напряжения высокого уровня Е1ВХ ≈ ЕП. Тогда на выходе элемента И (в точке m) возникает напряжение U1m > 0. Параметры схемы (R1, R3, ЕП) подбираются так, чтобы это напряжение превосходило напряжение (1,2–1,4 В), необходимое для открытия диодов смещения и появления на базе VT1 потенциала Uб = I1R3, достаточного для открытия транзистора инвертора для перехода его в режим полного насыщения. При этом на выходе схемы И-НЕ в точке Y установится малое напряжение нулевого уровня U0ВЫХ = 0,2 ÷ 0,4 В. Таким образом, при появлении единичных сигналов на всех входах рассматриваемой схемы на ее выходе появляется сигнал нулевого уровня. Это означает, что микросхема выполняет логическую операцию И-НЕ.
Для возврата схемы в исходное состояние необходимо подать хотя бы на один из диодов (например, на вход 3) сигнал на уровне логического 0, т. е. напряжение U0ВХ3, близкое к нулю. Диод VD3 открывается, и потенциал выхода И (точка т) скачком изменяется от единичного значения до нулевого (от U1m до U0m). При этом диоды смещения закрываются, ток и напряжение базы VT1 падают до нуля – транзистор закрывается.
При закрытом транзисторе потенциал на выходе органа И-НЕ (в точке Y) увеличивается скачком до высокого уровня. Как видно из рис.2.79, при отсутствии нагрузки,а при наличии нагрузки RH. Таким образом, при наличии нулевого сигнала на одном, на нескольких или на всех входах ЛЭ И-НЕ переходит в состояние недействия. При негативной логике, когда в качестве сигнала, приводящего в действие логическую схему, принимается нулевой (а не единичный) уровень входного сигнала, рассмотренная схема будет выполнять операцию ИЛИ-НЕ. Достоинством логических схем ДТЛ является относительная простота.
Органы логики И-НЕ на транзисторно-транзисторных ИМС. В микросхемах ТТЛ элемент И, входящий в состав схемы И-НЕ, может выполняться либо на обычных транзисторах ИМС, либо на интегральных транзисторах особой конструкции – многоэмиттерных, которые имеют до восьми эмиттеров, общую базу и один коллектор. База состоит из активных областей (их число равно числу эмиттеров), образующих переходы база-эмиттер и пассивных участков, разделяющих эти переходы для исключения их воздействия друг на друга. Преимуществом многоэмиттерных транзисторов является уменьшение занимаемой ими площади и улучшение некоторых параметров ИМС. В схемах ТТЛ для построения элемента И в основном применяются многоэмиттерные транзисторы. Обычные транзисторы (с одним эмиттером) используются для выполнения операции И в схемах ТТЛ лишь для получения микросхем с повышенной помехоустойчивостью (с высоким порогом переключения). Микросхемы на обычных транзисторах получают питание от источников до 15-20 В вместо 5-6 В, являющихся предельными для многоэмиттерных транзисторов. Чем выше напряжение питания ЕП, тем большим может быть порог переключения, т.е. входное напряжение единичного уровня U1ВХ, при котором происходит переключение логического элемента. С увеличением ЕП повышается уровень допустимой помехи. Высокопороговые микросхемы получили широкое применение в РЗ.
10. Полупроводниковые реле.
Полупроводниковые реле и схемы автоматики - это релейная защита и автоматика нового, второго поколения.
Элементная база этих реле – диоды, транзисторы и интегральные микросхемы. В виде интегральных микросхем выполняются операционные усилители, компараторы, счетчики, дешифраторы и т.д.
В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые и цифровые.
Аналоговые микросхемы преобразуют непрерывные сигналы. К ним относят, например, операционные усилители.
Цифровые микросхемы преобразуют и обрабатывают дискретные сигналы. На их основе выполняют логическую часть РЗиА.
Использование полупроводниковой элементной базы в устройствах РЗиА повышает их быстродействие, уменьшает массу и габариты. Значительно уменьшает потребляемую мощность. Из-за отсутствия движущихся частей и контактной системы полупроводниковые реле более надежны.
Недостаток – зависимость их характеристик и параметров от температуры.
Этот недостаток устраняется конструктивными и схемными решениями
Полупроводниковые реле.
Полупроводниковые реле и схемы автоматики - это релейная защита и автоматика нового, второго поколения.
Элементная база этих реле – диоды, транзисторы и интегральные микросхемы. В виде интегральных микросхем выполняются операционные усилители, компараторы, счетчики, дешифраторы и т.д.
В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые и цифровые.
Аналоговые микросхемы преобразуют непрерывные сигналы. К ним относят, например, операционные усилители.
Цифровые микросхемы преобразуют и обрабатывают дискретные сигналы. На их основе выполняют логическую часть РЗиА.
Использование полупроводниковой элементной базы в устройствах РЗиА повышает их быстродействие, уменьшает массу и габариты. Значительно уменьшает потребляемую мощность. Из-за отсутствия движущихся частей и контактной системы полупроводниковые реле более надежны.
Недостаток – зависимость их характеристик и параметров от температуры.
Этот недостаток устраняется конструктивными и схемными решениями