книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

§ 9.4. ОСНОВЫ РАСЧЕТА МАГНИТОДИОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА

При расчете магнитодиодных элементов сначала в зависимости от работы устройства, частоты следования тактов и др. (температуры, допустимых веса и габаритов, влажности) выбирают сердечники (раз­ меры и материал), диоды и резисторы. Затем производят расчет обмо­ ток, сопротивлений и потребляемой мощности, изготавливают макет и определяют характеристики передачи. Расчетные параметры кор­ ректируют по результатам эксперимента.

Расчет, как правило, проводят по средним значениям токов и на­ пряжений, основы которого изложены в § 8.7. Рассмотрим на приме­ рах [2.4] некоторые особенности расчета магнитодиодных схем с уче­

том специфики их работы.

Из § 9.3 очевидно, что для обеспечения устойчивой передачи еди­ ницы магнитный поток воспринимающего сердечника должен изменить­

при условии, что поток передающего сердечника изменится за это же время на меньшую величину:

Для подавления помехи от непрямоугольности в схеме использо­ ваны компенсирующие сердечники. В выходных обмотках этих сердеч­ ников под действием тактовых импульсов создаются напряжения, сред­ нее значение которых пропорционально изменению индукции от — Вг до — Вт. Если ввести к о э ф ф и ц и е н т н е п р я м о у г о л ь ­

то среднее значение напряжения помехи рабочего сердечника, равное среднему значению напряжения компенсирующего сердечника, будет связано со средним значением полного напряжения, определяющегося изменением индукции на 2Вп соотношением

Будем считать, что активное сопротивление цепи связи равно только динамическому сопротивлению диода, характеристики которого для импульсов тока различной длительности приведены, например,

на рис. 9.7, б.

Рассмотрим передачу единицы с сердечников 2 на сердечники 3 (рис. 9.7, й), которая происходит под действием тока г'2,3 в цепи связи между этими сердечниками. Ток протекает под действием разности э. д. с. выходных обмоток рабочего и компенсирующего сердечников 2, которая уравновешивается суммой падения напряжения на входных

210

обмотках рабочего и компенсирующего сердечников 3, падения напря­ жения на динамическом сопротивлении диода и э. д. с. отпирания диода.

Уравнение процесса для контура 2—3 на основании второго закона Кирхгофа можно записать в виде*

Наряду с током прямой передачи информации в цепи связи 1—2 под действием разности э. д. с., наводящихся во входных обмотках рабочего и компенсирующего сердечников 2, и при условии, что эта разность больше, чем э. д. с.

открытия диодов, течет ток г2, I, который создает падение напряжения на динамичес­ ком сопротивлении диода.

6)

Рис. 9.7. К расчету магнитодиодиого элемента:

■схема элемента; б — аппроксимация характеристик диода Д9Б

Падения напряжения на обмотках wliblx рабочего и компенсирующего сердечников / близки к нулю, потому что сердечники удерживаются от перемагничивания запрещающим импульсом тока (см. рис. 9.2, а). По второму закону Кирхгофа для контура 2—1

Пороговую э. д. с. диодов можно представить как долю среднего значения напряжения, пропорционального оАФ:

Коэффициентом ѵ вначале задаются, а затем его в процессе расчета уточняют.

Заменяя в (9.11) и (9.12) напряжения соответствующими производ­ ными от потокосцеплений по времени и ток г2 3 = / 2)3 через напря-

* Здесь и в дальнейшем индексом «р» обозначены величины, относящиеся к рабочему, а индексом «к» — к компенсирующему сердечнику.

211

женнссть Нтз, соответствующую перемагничиванию сердечника 3 за заданное время т, получим

Проинтегрировав (9.14) и (9.15) за время перемагничивания вос­ принимающего сердечника, получим

Величина необходимого тактового импульса тока определяется создаваемой этим током н. с., которая затрачивается на перемагничивание передающего сердечника и на создание тока г2 3 в прямой и тока і2,і в обратной цепях связи. Следовательно, уравнение н. с. тактового импульса FT по закону полного тока имеет вид

Уравнения (9.16) — (9.20) являются исходными для расчета магннтодиодных схем.

Оптимальные числа витков ш и отношение чисел витков а целесообразно найти из условия минимальной затраты энергии, необходимой для передачи ин­ формации с заданной частотой работы схемы. Мощность, требуемая для работы схемы, определяется произведением напряжения на тактовой обмотке схемы на величину тока в этой обмотке. Заданная частота работы схемы однозначно опре­ деляет время перемагничивания; поэтому среднее значение падения напряжения на тактовой обмотке

Следовательно, минимум мощности соответствует минимуму тока. Определим условие минимального тока тактового импульса / 2.

212

213

в схеме с запирающим напряжением (см. рис. 9.3, г) можно определить следую­ щим образом.

Уравнение цепи связи при передаче единицы, составленное аналогично

Для надежного запирания обратной передачи информации необходимо, чтобы сумма напряжений Яд + U_ была больше или по крайней мере равна мак­ симальному значению импульса напряжения, возникающего на входной обмотке передающего сердечника с учетом (8.20) и (8.22),

214

Подставляя (9.34) в (9.33), получим уравнение

£ф + 0 со2 ДФ (*ф + а)

из которого отношение чисел витков

Намагничивающую силу тактового импульса определяют из уравнения

справедливого как для одного воспринимающего сердечника (яр = 1), так и при разветвлении информации (яр > 1).

Подобным образом можно найти оптимальное соотношение а между числами

Уравнение для цепи прямой передачи информации при наличии компенси­ рующих сердечников, записанное по второму закону Кирхгофа и преобразован­ ное аналогично (9.16), имеет вид

аюДФ — а пп а;ДФ =аюДФ + анп awДФ + ----- (гд + R) + ѵаюДФ. aw

Уравнение для цепи обратной передачи информации с учетом компенсш рующих сердечников записывают так:

Qo6p — Qa обр + FIqX ;

причем <?добр находят из импульсной характеристики В (<3Д) (см. рис. 8.4, а) на уровне 0,1(2ВГ), отложенном от точки— Вг.

После преобразований, подобных рассмотренным ранее, можно получить квадратное уравнение

О—Я-нп—ѴО

a —

1+ <хІІП

из которого находят оптимальное отношение чисел витков.

215

Намагничивающая -сила тактовых импульсов

R

+ Qo6p to ^ 1 —

Гя +К

§ 9.5. АНАЛИЗ РАБОТЫ МАГНИТОДИОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДРОССЕЛЬНОГО ТИПА

Как указывалось в § 9.1, магнитодиодные ячейки дроссельного ти­ па можно применять для составления логических элементов подобно ячейкам трансформаторного типа. При этом используют схемы раз­ ветвления и объединения информации.

Проанализируем работу магнитодиодной ячейки в схеме разветвле­ ния (рис. 9.8, а). Питается схема переменным напряжением, имеющим среднее значение U cp. Как показано в §9.1, при работе ячеек дроссель­ ного типа происходит инвертирование кода, т. е. при считывании единицы с передающего сердечника / и перемагничивания его от + ВТ до — Вг воспринимающие сердечники 2 и 3 перемагничиваться не будут и оста­

нутся в состоянии нулей ( — Вг). При этих условиях падение на­

пряжения на воспринимающих сер­ дечниках будет близко к нулю и по второму закону Кирхгофа

п , где R = /д + Ядоб.

при записи единицы в воспринимающие сердечники 2 и 3 сердеч­ ник 1, перемагничиваясь от — Вг до — Вт, не может уравновесить питающее напряжение, и оно, будучи приложенным к входным обмот­ кам сердечников 2 и 3, перемагнитит их в состояние + Вг

Причем, если в предыдущий полупериод сердечники 2 и 3 перемаг­ ничивались от — Вг до — Вт (с них считывался нуль), то индукция этих сердечников в рассматриваемый полупериод должна измениться от Ет До + ВТ, т. е. на величину 2Br (1 + а ІШ). В этом случае по второму закону Кирхгофа (если учесть параллельное соединение

Переходя к средним величинам (за время перемагничивания т2 сердечника 2 или 3), получим

При расчете, однако, необходимо предусмотреть, чтобы сердечники перемагничивались за время, несколько меньшее половины полупериода. Этот запас нужен для надежной работы ячеек в условиях возмож­ ного уменьшения питающего напряжения и разброса параметров схемы.

В течение времени Т/2 — т 2 может произойти так называемый п р о р ы в т о к а , когда сердечник 1 достигает насыщения и пере­ стает создавать э. д. с. в ювых. За счет прорыва тока в сердечниках 2 и

2 и 3 сначала спишется помеха (выходные обмотки сердечников 2 и 3 и их нагрузка на схеме не показаны), т. е. сердечники перемагнитятся по частому циклу от а до — Вт, и лишь после этого произойдет нара­ стание тока в следующем контуре. Эта задержка будет приблизительно равна времени прорыва, т. е. 772 — т 2.

Подобный прорыв тока происходит и во входной обмотке сердечни­ ка 1 при считывании единицы с предшествующего ему сердечника.

Воставшуюся часть полупериода запись также должна произойти

снекоторым запасом по времени на разброс параметров. Таким обра­ зом, время т2 должно быть немного меньше, чем т2; обычно принимают

(9.37)

В конце такта записи может опять произойти прорыв тока, однако он лишь увеличит потери энергии в диоде и і?доб, не вызывая какихлибо нарушений в передаче информации.

Рассмотрим работу магнитодиодной ячейки в схеме объединения (рис. 9.8, б) Воспринимающий сердечник 3 может оказаться в трех режимах работы: в режиме 0; 0 (когда токи сердечников 1 и 2 малы и оба передающих сердечника перемагни­ чиваются), в режиме 0; 1 или 1; 0 (когда перемагничивается один из двух пере­ дающих сердечников) и в режиме 1; 1 (когда ни один из передающих сердечников не перемагничивается). В первом режиме воспринимающий сердечник не пере­ магничивается (остается в состоянии 0), во втором и третьем, перемагничиваясь, запоминает 1. Перемагничивание в третьем случае происходит более энергично, чем во втором, однако образовавшийся прорыв тока не искажает информацию.

Более существенно влияние режима работы на перемагничивание пере­ дающих сердечников. В случае 0; 0 почти полное напряжение питания, прило­ женное к обоим передающим сердечникам, перемагничивает их полностью и в за­ данное время. Во втором же случае один из сердечников, где индукция меняется лишь от —ВТдо —Вт, шунтирует второй передающий сердечник и напряжение питания прикладывается в основном к воспринимающему сердечнику 3. Под действием пониженного напряжения второй сердечник не успевает полностью перемагнититься в данный полупериод и «домагничивается» в следующий полу­ период, создавая помеху. Если же рассчитать схему так, чтобы второй сердечник перемагничивался полностью в случае 0; 1, то при сигнале 0; 0 перемагничива­ ние передающих сердечников произойдет слишком быстро и образовавшийся прорыв тока запишет в сердечнике 3 большую помеху.

217

Таким образом, в схеме объединения магнитодиодные ячейки работают не­ достаточно надежно, а введение дополнительных элементов диодной развязки для повышения надежности усложняет схему.

**

Вкомплексе «Спектр», входящем в Государственную систему при­ боров, магнитодиодные элементы используют в качестве формирова­ телей тактовых импульсов, регистров сдвига, распределителей им­ пульсов, а также в различных логических схемах, работающих при частоте тактовых импульсов до 1000 гц.

?■ Набор магнитодиодных элементов состоит всего из шести суббло­ ков, но благодаря рациональному выбору состава субблоков и их многофункциональности этот набор позволяет создавать системы авто­

тодиодных ячеек различных типов относятся большой срок службы и высокая надежность, компактность и виброустойчивость, относи­ тельно простая технология, удобная стыкуемость и небольшая себес­ тоимость, а также высокое быстродействие — до 300—500 кгц.

Однако магнитодиодным ячейкам свойственны и недостатки. Напри­ мер, необходимость в специальных источниках тактовых импульсов (для ячеек трансформаторного типа). Работая на переменную индук­ тивную нагрузку, т. е. на обмотки перемагничивающихся сердечников, источник тактовых импульсов должен сохранить постоянство величи­ ны, формы и длительности импульсов тока. Сложность заключается еще в том, что источник тактовых импульсов является единственным источником энергии, за счет которого перемагничивается как передаю­ щий, так и воспринимающий сердечники.

Устранить этот недостаток позволяет использование в цепях связи между магнитными сердечниками активных элементов, которые обес­ печивают приток дополнительной энергии, необходимой для перемагничивания сердечников. В качестве таких активных элементов наи­

МАГНИТОТРАНЗИСТОРНЫЕ ЯЧЕЙКИ

ИОСНОВЫ ИХ РАСЧЕТА

§10.1. АНАЛИЗ РАБОТЫ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПРОСТЕЙШЕЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОРНОЙ ЯЧЕЙКИ

Простейшая магнитотранзисторная ячейка (МТЯ) состоит из пермаллоевого или ферритового сердечника с тремя обмотками и тран­ зистора. Транзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером, так как такая схема обладает наибольшим усилением по мощности.

^На рис. 10.1, а изображена схема ячейки памяти, нагрузкой кото­ рой являются входные (записывающие) обмотки швк нескольких (п)

213

сердечников. Сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса, у кото­

Рассмотрим работу МТЯ с учетом требований предотвращения прямой и обратной ложных передач информации. Условие разнесения во времени процессов записи и считывания информации выполняется за счет применения, как правило, двухтактных схем.

Рис. 10.1. Схема магнитотранзисторной ячейки без положитель­ ной обратной связи (а) и ее характеристики (б, в)

Если во входную обмотку подается импульс тока, записывающий единицу, в выходной, базовой обмотке w6 наводится э. д. с. еб, при­ ложенная к эмиттерному переходу в запирающем направлении (ми­ нус на эмиттере), транзистор запирается, предотвращая прямую лож­ ную передачу информации.

Для считывания информации в тактовую шину подается импульс тока /т1, создающий отрицательную напряженность.

При считывании единицы индукция изменяется от + Вг до — Вт, в обмотке w6 наводится э. д. с., приложенная к эмиттеру в прямом направлении, транзистор открывается, переходя в область насыще­ ния. Падение напряжения (Укэ снижается до долей вольта, и почти все напряжение Еі{ прикладывается к обмоткам wBX воспринимающих

219