Λογικές πύλες σε ηλεκτρικά κυκλώματα

Τα λογικά στοιχεία είναι συσκευές που κάνουν μια ορισμένη σύνδεση μεταξύ των τιμών εισόδου και εξόδου. Ένα στοιχειώδες λογικό στοιχείο έχει δύο εισόδους και μία έξοδο. Τα σήματα σε αυτά είναι διακριτά, δηλαδή παίρνουν μία από τις δύο πιθανές τιμές - 1 ή 0. Η παρουσία τάσης μερικές φορές λαμβάνεται ως μία και η απουσία της μερικές φορές λαμβάνεται ως μηδέν. Η λειτουργία τέτοιων συσκευών αναλύεται χρησιμοποιώντας τις έννοιες της άλγεβρας Boole-άλγεβρα της λογικής.

Οι συσκευές που λειτουργούν με διακριτά σήματα ονομάζονται διακριτές. Η λειτουργία τέτοιων συσκευών αναλύεται χρησιμοποιώντας τις έννοιες της άλγεβρας Boole-άλγεβρα της λογικής.

Βασικές αρχές της Άλγεβρας της Λογικής

Μια λογική μεταβλητή είναι μια τιμή εισόδου που μπορεί να λάβει μόνο δύο αντίθετες τιμές: x = 1 ή x = 0. Μια λογική συνάρτηση είναι η εξάρτηση της τιμής εξόδου από την είσοδο και από το ίδιο το σήμα εξόδου, το οποίο μπορεί επίσης να λάβει μόνο δύο τιμές : y = 1 ή y = 0. Λογική πράξη είναι μια ενέργεια που εκτελείται από ένα λογικό στοιχείο με λογικές μεταβλητές σύμφωνα με μια λογική συνάρτηση.Οι τιμές 1 και 0 είναι αμοιβαία αντίθετες (ανεστραμμένες): 1 = 0, 0 = 1. Η παύλα σημαίνει άρνηση (αναστροφή).

Υποτίθεται ότι 0 • 0 = 0, 0 + 0 = 0, 1 — 0 = 0, 1 + 0 = 1, 1 • 1 = = 1, 1 + 1 = 1.

Κατά τον μετασχηματισμό των τύπων της λογικής άλγεβρας, εκτελούνται πρώτα οι πράξεις αντιστροφής, μετά ο πολλαπλασιασμός, η πρόσθεση και μετά όλες οι άλλες.

Δείτε επίσης για αυτό το θέμα: Νόμοι της Άλγεβρας του Κυκλώματος Επαφών

Οι βασικές λογικές πράξεις συζητούνται εδώ: Λογικές συσκευές

Λογικά στοιχεία με τη μορφή κυκλωμάτων ρελέ-επαφής

Τα λογικά στοιχεία μπορούν να αναπαρασταθούν με τη μορφή ενός κυκλώματος ρελέ-επαφής (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Βασικά λογικά στοιχεία (α) και ισοδύναμο επαφής ρελέ (β)

Αν υποθέσουμε ότι οι κλειστές επαφές αντιστοιχούν σε ένα σήμα και οι ανοιχτές επαφές αντιστοιχούν σε μηδέν, τότε το στοιχείο Α μπορεί να αναπαρασταθεί ως συνδεδεμένες επαφές x1 και x2 και το ρελέ y. Εάν και οι δύο επαφές είναι κλειστές, τότε το ρεύμα θα ρέει μέσω του πηνίου, το ρελέ θα λειτουργήσει και οι επαφές του θα κλείσουν.

Το στοιχείο OR μπορεί να αναπαρασταθεί ως δύο επαφές NO συνδεδεμένες παράλληλα. Όταν το πρώτο ή το δεύτερο από αυτά είναι κλειστά, το ρελέ ενεργοποιείται και κλείνει τις επαφές του από τις οποίες θα περάσει το σήμα.

Ένα στοιχείο NOT μπορεί να αναπαρασταθεί ως μία επαφή NO x και μία επαφή NC y. Εάν δεν εφαρμοστεί σήμα στην είσοδο (x = 0), τότε το ρελέ δεν λειτουργεί και οι επαφές του y παραμένουν κλειστές, το ρεύμα ρέει μέσα από αυτές. Εάν κλείσετε τις επαφές x, το ρελέ θα λειτουργήσει και θα ανοίξει τις επαφές του, τότε το σήμα εξόδου θα είναι μηδέν.

Στο σχ. 2 δείχνει ένα κύκλωμα που εκτελεί τη λειτουργία OR — NOT.Εάν δεν εφαρμοστεί σήμα σε καμία από τις εισόδους, τότε το τρανζίστορ θα παραμείνει κλειστό, δεν θα ρέει ρεύμα μέσω αυτού και η τάση εξόδου θα είναι ίση με την πηγή emf Uy = Uc, δηλ. y = 1.

Ρύζι. 2. Σχήμα λογικού στοιχείου Ή — ΟΧΙ, που εκτελεί λογικές πράξεις

Εάν εφαρμοστεί τάση σε τουλάχιστον μία από τις εισόδους, τότε η αντίσταση του τρανζίστορ θα πέσει από το ∞ στο 0 και το ρεύμα θα ρέει μέσω του κυκλώματος εκπομπού-συλλέκτη. Η πτώση τάσης στο τρανζίστορ θα είναι μηδέν (Uy = 0). Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει σήμα στην έξοδο, δηλαδή y = 0. Για την κανονική λειτουργία του στοιχείου, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια μετατόπιση του δυναμικού βάσης σε σχέση με το κοινό σημείο, αυτό επιτυγχάνεται από μια ειδική πηγή Ucm και μια αντίσταση Rcm. Η αντίσταση R6 περιορίζει το ρεύμα εκπομπού βάσης.

Τα λογικά στοιχεία που είναι κατασκευασμένα σε ηλεκτρομαγνητικά ρελέ, τρανζίστορ, μαγνητικούς πυρήνες, ηλεκτρονικό λαμπτήρα, πνευματικά ρελέ είναι πολύ μεγάλα, γι' αυτό χρησιμοποιούνται πλέον ολοκληρωμένα κυκλώματα.Οι λογικές λειτουργίες σε αυτά γίνονται σε επίπεδο κρυστάλλου.

Παραδείγματα χρήσης λογικών πυλών σε κυκλώματα

Ας δούμε μερικά συγκροτήματα ηλεκτρικών κυκλωμάτων που βρίσκονται πιο συχνά σε μια ηλεκτρική μονάδα. Στο σχ. Το 3α δείχνει τη μονάδα τροφοδοσίας του πηνίου του επαφέα Κ.

Ρύζι. 3. Κύκλωμα κόμβων με λογικά στοιχεία: 1 — 8 — αριθμοί εισόδου και εξόδου

Όταν πατηθεί το κουμπί KNP, το ρεύμα ρέει μέσω της γραμμής και ο επαφέας ενεργοποιείται. Οι κύριες επαφές του (δεν φαίνονται στο διάγραμμα) συνδέουν τον κινητήρα στο δίκτυο και οι επαφές K, κλείνοντας, παρακάμπτουν το κουμπί KNP. Το ρεύμα θα ρέει τώρα μέσω αυτών των επαφών και το κουμπί KNP μπορεί να απελευθερωθεί.Κάτω από τη δράση του ελατηρίου, ανοίγει τις επαφές του, αλλά το πηνίο θα συνεχίσει να ενεργοποιείται μέσω των επαφών K. Όταν πατηθεί το κουμπί KnS, η γραμμή διακόπτεται και ο επαφέας απελευθερώνεται.

Αυτός ο κόμβος μπορεί να εκτελεστεί σε λογικά στοιχεία. Το κύκλωμα περιλαμβάνει το πηνίο του επαφέα K, τα κουμπιά KNP και KNS, δύο λογικά στοιχεία Ή — ΟΧΙ και έναν ενισχυτή. Η αρχική κατάσταση είναι x1 = 0 και x2 = 0, τότε στην έξοδο του στοιχείου 1 παίρνουμε y1 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1. Στην έξοδο του στοιχείου 2 — y5 = x3 + x4 = 1 + 0 = 0, t .is το πηνίο είναι σβηστό, το ρελέ δεν λειτουργεί.

Εάν πατήσετε το KnP, τότε y1 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0. Στην έξοδο του στοιχείου 2 y5 = x3 + x4 = 0 + 0 = 1. Το ρεύμα ρέει μέσα από το πηνίο και ο επαφέας ενεργοποιείται. Το σήμα y2 εφαρμόζεται στην είσοδο x2 αλλά το y1 δεν αλλάζει με αυτό επειδή y1 = x1 + x2 = 1 + 1 = 0. Έτσι το πηνίο του επαφέα ενεργοποιείται.

Εάν πατήσετε το κουμπί KNS, τότε ένα σήμα x4 = 1 θα εφαρμοστεί στην είσοδο του δεύτερου στοιχείου, μετά y2 = x3 + x4 = 0 + 1 = 0 και ο επαφέας απελευθερώνεται.

Το υπό εξέταση κύκλωμα είναι ικανό να «απομνημονεύει» εντολές: το σήμα y2 παραμένει αμετάβλητο ακόμα κι αν αφεθεί το κουμπί.

Η ίδια λειτουργία μνήμης μπορεί να επιτευχθεί με ένα flip-flop. Εάν εφαρμοστεί σήμα x1 = 1 στην είσοδο, τότε το σήμα y = 1 θα εμφανιστεί στην έξοδο και θα παραμείνει αμετάβλητο μέχρι να πατήσουμε το κουμπί KnS. Στη συνέχεια αλλάζει το flip-flop και στην έξοδο εμφανίζεται ένα σήμα y = 0. Θα παραμείνει αμετάβλητο μέχρι να πατήσουμε ξανά το κουμπί KNP.

Στο σχ. 3, b δείχνει ένα μπλοκ για ηλεκτρικό μπλοκάρισμα δύο ρελέ PB (εμπρός) και PH (πίσω), το οποίο αποκλείει την ταυτόχρονη λειτουργία τους, καθώς αυτό θα οδηγήσει σε βραχυκύκλωμα.Πράγματι, όταν πατηθεί το κουμπί KnV, το ρελέ PB ενεργοποιείται και οι βοηθητικές του επαφές ανοίγουν και το πηνίο PH δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί ακόμη και αν πατηθεί το κουμπί KnN. Σημειώστε ότι εδώ δεν γίνεται ελιγμός των επαφών κλεισίματος των κουμπιών, δηλαδή δεν υπάρχει μονάδα μνήμης.

Σε ένα κύκλωμα με λογικά στοιχεία, όταν πατήσουμε το κουμπί KNV στο πρώτο στοιχείο, παίρνουμε x1 = 1, y2 = x1 = 0. Στο δεύτερο στοιχείο, y7 = x5 + x6 = y2 + x6= 0 + 0 = 1

Το ρελέ PB ενεργοποιείται και το σήμα y7 εφαρμόζεται στην είσοδο του στοιχείου 4 (y7 — x8 = 1). Δεν υπάρχει σήμα στην είσοδο του στοιχείου 3 (x2 = 0), τότε y4 = x2 = 1. Στο τέταρτο στοιχείο: y10 = x8 + x9 = x8 + y4 = 1 + 1 = 0, δηλαδή το ρελέ PH δεν μπορεί να λειτουργήσει , ακόμα κι αν πατηθεί το κουμπί KnN. Τότε παίρνουμε το ίδιο αποτέλεσμα: 10 = x8 + x9 = = x8 + y4 = 1 + 0 = 0.

Στο σχ. 3, c δείχνει το ρελέ απελευθέρωσης σε περίπτωση που πατήσετε το κουμπί KnS ή ανοίξετε τις επαφές του διακόπτη ορίου VK. Σε ένα κύκλωμα με λογικά στοιχεία στην αρχική θέση y3 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1, δηλαδή ενεργοποιείται το πηνίο του ρελέ. Όταν πατήσετε το κουμπί KnS, παίρνουμε y3 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0 και το ρελέ απελευθερώνεται.

Στο σχ. 3, d δείχνει τη συσκευή για την ενεργοποίηση του ρελέ σε περίπτωση που πατήσετε το κουμπί KNP όταν η επαφή VK είναι κλειστή. Σε ένα κύκλωμα με λογικά στοιχεία στην κανονική κατάσταση των επαφών, παίρνουμε y7 = NS6 = y6 = NS4 = y3 = x1x2 = 0 • 0 = 0. Εάν πατηθεί μόνο το κουμπί KNP, τότε y7 = x1x2 = 1 • 0 = 0. Εάν μόνο η επαφή VK είναι κλειστή τότε y7 = = x1x2 = 0 • 1 = 0 Όταν το KNP είναι κλειστό και το VK παίρνουμε y7 = x1x2 = 1 • 1 = 1. Αυτό σημαίνει ότι το ρελέ είναι ενεργοποιημένο.

Στο σχ. 3, e δείχνει ένα κύκλωμα ελέγχου για δύο ρελέ P1 και P2.Όταν εφαρμόζεται τάση στο κύκλωμα, ενεργοποιείται το ρελέ χρόνου PB, οι επαφές του στη γραμμή 3 ανοίγουν αμέσως. Το κύκλωμα είναι έτοιμο για λειτουργία. Όταν πατηθεί το κουμπί KNP, το ρελέ P1 ενεργοποιείται, οι επαφές του κλείνουν, παρακάμπτοντας το κουμπί. Άλλες επαφές στη γραμμή 2 ανοίγουν και στη γραμμή 3 κλείνουν. Το ρελέ PB απελευθερώνεται και οι επαφές του κλείνουν με χρονική καθυστέρηση, το ρελέ P2 ενεργοποιείται. Έτσι, αφού πατήσετε το κουμπί KNP, το ρελέ P1 ενεργοποιείται αμέσως και το P2 - μετά από κάποιο χρονικό διάστημα.

Σε ένα κύκλωμα με λογικά στοιχεία, ο κόμβος "Μνήμη" είναι χτισμένος σε ένα flip-flop. Αν δεν υπάρχει σήμα στην έξοδο (y3 = 0), τα ρελέ P1 και P2 απενεργοποιούνται. Πατήστε το κουμπί KNP, εμφανίζεται ένα σήμα στην έξοδο της σκανδάλης. Το ρελέ P1 ενεργοποιείται και το στοιχείο EV αρχίζει να συγχρονίζεται.

Όταν εμφανιστεί σήμα y5 = 1, ενεργοποιείται το ρελέ P2. Όταν πατήσετε το κουμπί KnS, η σκανδάλη αλλάζει και στη συνέχεια y3 = 0. Τα ρελέ P1 και P2 απελευθερώνονται.

Τα τυπικά συγκροτήματα με λογικά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως σε πιο πολύπλοκα κυκλώματα και τέτοια κυκλώματα είναι πολύ πιο απλά από τα κυκλώματα εξοπλισμού ρελέ-επαγωγέα.