Porte logiche nei circuiti elettrici

Gli elementi logici sono dispositivi che effettuano una certa connessione tra i valori di ingresso e quelli di uscita. Un elemento logico elementare ha due ingressi e un'uscita. I segnali per loro sono discreti, ovvero assumono uno dei due valori possibili: 1 o 0. La presenza di tensione a volte viene considerata come una e la sua assenza a volte viene considerata come zero. Il funzionamento di tali dispositivi viene analizzato utilizzando i concetti di algebra booleana, l'algebra della logica.

I dispositivi che funzionano con segnali discreti sono chiamati discreti. Il funzionamento di tali dispositivi viene analizzato utilizzando i concetti di algebra booleana, l'algebra della logica.

Fondamenti di Algebra della Logica

Una variabile logica è un valore di ingresso che può assumere solo due valori opposti: x = 1 o x = 0. Una funzione logica è la dipendenza del valore di uscita dall'ingresso e dal segnale di uscita stesso, che può assumere anche solo due valori : y = 1 o y = 0. Un'operazione logica è un'azione eseguita da un elemento logico con variabili logiche secondo una funzione logica.I valori 1 e 0 sono reciprocamente opposti (invertiti): 1 = 0, 0 = 1. Il trattino significa negazione (inversione).

Si presume che 0 • 0 = 0, 0 + 0 = 0, 1 — 0 = 0, 1 + 0 = 1, 1 • 1 = = 1, 1 + 1 = 1.

Quando si trasformano le formule dell'algebra logica, vengono eseguite prima le operazioni di inversione, poi la moltiplicazione, l'addizione e poi tutte le altre.

Vedi anche su questo argomento: Leggi dell'algebra dei circuiti di contatto

Le operazioni logiche di base sono discusse qui: Dispositivi logici

Elementi logici sotto forma di circuiti di contatto a relè

Gli elementi logici possono essere rappresentati sotto forma di un circuito di contatto a relè (Fig. 1).

Riso. 1. Elementi logici di base (a) ed equivalenti di contatto del relè (b)

Se assumiamo che i contatti chiusi corrispondano a un segnale e i contatti aperti corrispondano a zero, allora l'elemento A può essere rappresentato come contatti collegati x1 e x2 e relè y. Se entrambi i contatti sono chiusi, la corrente fluirà attraverso la bobina, il relè funzionerà e i suoi contatti si chiuderanno.

L'elemento OR può essere rappresentato come due contatti NO collegati in parallelo. Quando il primo o il secondo di essi sono chiusi, il relè si attiva e chiude i suoi contatti attraverso i quali passerà il segnale.

Un elemento NOT può essere rappresentato come un contatto NO x e un contatto NC y. Se non viene applicato alcun segnale all'ingresso (x = 0), il relè non funziona e i contatti di y rimangono chiusi, la corrente scorre attraverso di essi. Se chiudi i contatti x, il relè funzionerà e aprirà i suoi contatti, quindi il segnale di uscita sarà zero.

Nella fig. 2 mostra un circuito che esegue l'operazione OR — NOT.Se non viene applicato alcun segnale a nessuno degli ingressi, il transistor rimarrà chiuso, nessuna corrente lo attraverserà e la tensione di uscita sarà uguale alla sorgente fem Uy = Uc, cioè y = 1.

Riso. 2. Schema dell'elemento logico OR — NOT, esecuzione di operazioni logiche

Se viene applicata una tensione ad almeno uno degli ingressi, la resistenza del transistor scenderà da ∞ a 0 e la corrente fluirà attraverso il circuito emettitore-collettore. La caduta di tensione attraverso il transistor sarà zero (Uy = 0). Ciò significa che non c'è segnale in uscita, cioè y = 0. Per il normale funzionamento dell'elemento, è necessario creare uno spostamento del potenziale di base rispetto al punto comune, questo è ottenuto da una sorgente speciale Ucm e un resistore Rcm. Il resistore R6 limita la corrente dell'emettitore di base.

Gli elementi logici costruiti su relè elettromagnetici, transistor, nuclei magnetici, lampade elettroniche, relè pneumatici sono troppo grandi, motivo per cui ora vengono utilizzati circuiti integrati... Le operazioni logiche in essi vengono eseguite a livello di cristallo.

Esempi di utilizzo di porte logiche nei circuiti

Diamo un'occhiata ad alcuni gruppi di circuiti elettrici che si trovano più comunemente in un azionamento elettrico. Nella fig. 3a mostra l'unità di alimentazione della bobina del contattore K.

Riso. 3. Nodi del circuito con elementi logici: 1 - 8 - numeri di ingresso e uscita

Quando si preme il pulsante KNP, la corrente scorre attraverso la linea e il contattore viene attivato. I suoi contatti principali (non mostrati nello schema) collegano il motore alla rete e i contatti K, chiudendosi, bypassano il pulsante KNP. La corrente fluirà ora attraverso questi contatti e il pulsante KNP può essere rilasciato.Sotto l'azione della molla, apre i suoi contatti, ma la bobina continuerà ad essere eccitata attraverso i contatti K. Premendo il pulsante KnS, la linea viene interrotta e il contattore viene rilasciato.

Questo nodo può essere eseguito su elementi logici. Il circuito include la bobina del contattore K, i pulsanti KNP e KNS, due elementi logici OR — NOT e un amplificatore. Lo stato iniziale è x1 = 0 e x2 = 0, quindi all'uscita dell'elemento 1 otteniamo y1 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1. All'uscita dell'elemento 2 — y5 = x3 + x4 = 1 + 0 = 0, t.è la bobina è spenta, il relè non funziona.

Se si preme KnP, allora y1 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0. All'uscita dell'elemento 2 y5 = x3 + x4 = 0 + 0 = 1. La corrente scorre attraverso la bobina e il contattore viene attivato. Il segnale y2 viene applicato all'ingresso x2 ma y1 non viene modificato da questo perché y1 = x1 + x2 = 1 + 1 = 0. In questo modo la bobina del contattore è eccitata.

Se si preme il pulsante KNS, verrà applicato un segnale x4 = 1 all'ingresso del secondo elemento, quindi y2 = x3 + x4 = 0 + 1 = 0 e il contattore viene rilasciato.

Il circuito in esame è in grado di «memorizzare» i comandi: il segnale y2 rimane invariato anche se il pulsante viene rilasciato.

La stessa funzione di memoria può essere realizzata con un flip-flop. Se un segnale x1 = 1 viene applicato all'ingresso, allora il segnale y = 1 apparirà all'uscita e rimarrà invariato fino a quando non si preme il pulsante KnS. Il flip-flop viene quindi commutato e all'uscita appare un segnale y = 0. Rimarrà invariato fino a quando non premeremo nuovamente il pulsante KNP.

Nella fig. 3, b mostra un blocco per il blocco elettrico di due relè PB (avanti) e PH (indietro), che esclude il loro funzionamento simultaneo, poiché ciò comporterebbe un cortocircuito.Infatti, quando si preme il pulsante KnV, si attiva il relè PB, i suoi contatti ausiliari si aprono e la bobina PH non può essere eccitata anche se si preme il pulsante KnN. Si noti che qui non c'è manovra dei contatti di chiusura dei pulsanti, cioè non c'è modulo di memoria.

In un circuito con elementi logici, quando premiamo il pulsante KNV sul primo elemento, otteniamo x1 = 1, y2 = x1 = 0. Sul secondo elemento, y7 = x5 + x6 = y2 + x6= 0 + 0 = 1

Il relè PB è attivato e il segnale y7 è applicato all'ingresso dell'elemento 4 (y7 — x8 = 1). Non c'è segnale all'ingresso dell'elemento 3 (x2 = 0), quindi y4 = x2 = 1. Sul quarto elemento: y10 = x8 + x9 = x8 + y4 = 1 + 1 = 0, cioè il relè PH non può funzionare , anche se viene premuto il pulsante KnN. Quindi otteniamo lo stesso risultato: 10 = x8 + x9 = = x8 + y4 = 1 + 0 = 0.

Nella fig. 3, c mostra il relè di rilascio in caso di pressione del pulsante KnS o apertura dei contatti del finecorsa VK. In un circuito con elementi logici nella posizione iniziale y3 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1, cioè la bobina del relè è eccitata. Quando premi il pulsante KnS, otteniamo y3 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0 e il relè viene rilasciato.

Nella fig. 3, d mostra il dispositivo per l'accensione del relè in caso di pressione del pulsante KNP quando il contatto VK è chiuso. In un circuito con elementi logici nello stato normale dei contatti, otteniamo y7 = NS6 = y6 = NS4 = y3 = x1x2 = 0 • 0 = 0. Se viene premuto solo il pulsante KNP, allora y7 = x1x2 = 1 • 0 = 0. Se solo il contatto VK è chiuso allora y7 = = x1x2 = 0 • 1 = 0 Quando KNP è chiuso e VK otteniamo y7 = x1x2 = 1 • 1 = 1. Ciò significa che il relè è attivato.

Nella fig. 3, e mostra un circuito di controllo per due relè P1 e P2.Quando viene applicata tensione al circuito, il relè temporizzato PB viene attivato, i suoi contatti nella linea 3 si aprono immediatamente. Il circuito è pronto per il funzionamento. Quando si preme il pulsante KNP, il relè P1 viene attivato, i suoi contatti si chiudono, bypassando il pulsante. Altri contatti sulla linea 2 si aprono e sulla linea 3 si chiudono. Il relè PB viene rilasciato ei suoi contatti si chiudono con ritardo, il relè P2 viene attivato. Pertanto, dopo aver premuto il pulsante KNP, il relè P1 viene attivato immediatamente e P2 dopo un po 'di tempo.

In un circuito con elementi logici, il nodo "Memoria" è costruito su un flip-flop. Se non ci sono segnali in uscita (y3 = 0), i relè P1 e P2 sono diseccitati. Premere il pulsante KNP, viene visualizzato un segnale sull'uscita trigger, il relè P1 viene attivato e l'elemento EV inizia a sincronizzarsi.

Quando si verifica il segnale y5 = 1, viene attivato il relè P2. Quando si preme il pulsante KnS, il trigger viene commutato e quindi y3 = 0. I relè P1 e P2 vengono rilasciati.

I gruppi tipici con elementi logici sono ampiamente utilizzati in circuiti più complessi e tali circuiti sono molto più semplici dei circuiti delle apparecchiature relè-contattore.