Вентили и их схемы: Логические элементы. Вентили

Содержание

Логические вентили, схемы, структуры

Любой, самый примитивный компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как и все в природе и в технике, состоит их простейших элементов. Любой компьютер, точнее, любой его электронный логический блок состоит из десятков и сотен тысяч так называемых вентилей (логических устройств, базовых логических схем), объединяемых по правилам и законам (аксиомам) алгебры вентилей в схемы, модули.

Логический вентиль (далее – просто вентиль) – это своего рода атом, из которого состоят электронные узлы ЭВМ. Он работает по принципу крана (отсюда и название), открывая или закрывая путь сигналам.

Логические схемы предназначены для реализации различных функций алгебры логики и реализуются с помощью трех базовых логических элементов (вентилей, логических схем или так называемых переключательных схем). Они воспроизводят функции полупроводниковых схем.

Работу вентильных, логических схем мы, как и принято, будем рассматривать в двоичной системе и на математическом, логическом уровне, не затрагивая технические аспекты (аспекты микроэлектроники, системотехники, хотя они и очень важны в технической информатике).

Логические функции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции реализуют, соответственно, логические схемы, называемые инвертором, дизъюнктором и конъюнктором.

Логическая функция «инверсия», или отрицание, реализуется логической схемой (вентилем), называемой инвертор.

Принцип его работы можно условно описать следующим образом: если, например, «0» или «ложь» отождествить с тем, что на вход этого устройства скачкообразно поступило напряжение в 0 вольт, то на выходе получается 1 или «истина», которую можно также отождествить с тем, что на выходе снимается напряжение в 1 вольт.



Аналогично, если предположить, что на входе инвертора будет напряжение в 1 вольт («истина»), то на выходе инвертора будет сниматься 0 вольт, то есть «ложь» (схемы на рисунке 9).

Функцию отрицания можно условно отождествить с электрической схемой соединения в цепи с лампочкой (рисунок 10), в которой замкнутая цепь соответствует 1 («истина») или х=1, а размыкание цепи соответствует 0 («ложь») или х=0.

 

Рисунок 9 – Принцип работы инвертора

 

Рисунок 10 – Электрический аналог схемы инвертора

 

Дизъюнкцию реализует логическое устройство (вентиль) называемое дизъюнктор (рисунок 11):

Рисунок 11 – Принцип работы дизъюнктора

 

Дизъюнктор условно изображается схематически электрической цепью вида (рис. 12)

Рисунок 12 Электрический аналог схемы дизъюнктора

 

Конъюнкцию реализует логическая схема (вентиль), называемая конъюнктором (рис. 13):

Рисунок 13 Принцип работы конъюнктора

 

Конъюнктор можно условно изобразить схематически электрической цепью вида (рис. 14)

Рисунок 14 Электрический аналог схемы конъюнктора

 

Схематически инвертор, дизъюнктор и конъюнктор на логических схемах различных устройств можно изображать условно следующим образом (рис. 15). Есть и другие общепринятые формы условных обозначений.

Рисунок 15 Условные обозначения вентилей (вариант)

 

Из указанных простейших базовых логических элементов собирают, конструируют сложные логические схемы ЭВМ, например, сумматоры, шифраторы, дешифраторы и др. Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы содержат в своем составе (на кристалле кремния площадью в несколько квадратных сантиметров) десятки тысяч вентилей. Это возможно еще и потому, что базовый набор логических схем (инвертор, конъюнктор, дизъюнктор) является функционально полным (любую логическую функцию можно представить через эти базовые вентили), представление логических констант в них одинаково (одинаковы электрические сигналы, представляющие 1 и 0) и различные схемы можно «соединять» и «вкладывать» друг в друга (осуществлять композицию и суперпозицию схем).

Таким способом конструируются более сложные узлы ЭВМ – ячейки памяти, регистры, шифраторы, дешифраторы, а также сложнейшие интегральные схемы.

В двоичной системе таблицу суммирования цифры x и цифры y и получения цифры z

с учетом переноса p в некотором разряде чисел x и y можно изобразить таблицей вида

Эту таблицу можно интерпретировать как совместно изображаемую таблицу логических функций (предикатов) вида

Логический элемент, соответствующий этим функциям, называется одноразрядным сумматором и имеет следующую схему (обозначим ее как или – если мы хотим акцентировать именно выбранный, текущий i-й разряд) (рис. 16):

Рисунок 16 Схема одноразрядного сумматора

 

«Черным ящиком» называется некоторое закрытое устройство (логическая, электрическая или иная схема), содержимое которого неизвестно и может быть определено (идентифицировано) только по отдельным проявлениям входа/выхода ящика (значениям входных и выходных сигналов). В «черном ящике» находится некоторая логическая схема, которая в ответ на некоторую последовательность входных (для ящика) логических констант выдает последовательность логических констант, получаемых после выполнения логической схемы внутри «черного ящика».

Определим логическую функцию внутри «черного ящика» (рис. 17), если операции выполняются с логическими константами для входных последовательностей (поразрядно). Например, х = 00011101 соответствует последовательности поступающих значений: «ложь», «ложь», «ложь», «истина», «истина», «истина», «ложь», «истина».

 

Рисунок 17 Схема «черного ящика 1»

 

Из анализа входных значений (входных сигналов) х, у и поразрядного сравнения логических констант в этих сообщениях с константами в значении z – результате выполнения функции в «черном ящике», видно, что подходит, например, функция вида .

Действительно, в результате «поразрядного» сравнения сигналов (последовательностей значений «истина», «ложь») получаем следующие выражения (последовательности логических констант):

.

 

Важной задачей (технической информатики) является минимизация числа вентилей для реализации той или иной схемы (устройства), что необходимо для более рационального, эффективного воплощения этих схем, для большей производительности и меньшей стоимости ЭВМ.

Эту задачу решают с помощью методов теоретической информатики (методов булевой алгебры).

Пример. Построим схему для логической функции . Схема, построенная для этой логической функции, приведена на рис. 18.

Рисунок 18 Схема для функции 1

 

Пример. Определим логическую функцию , реализуемую логической схемой вида (рис. 19):

 

Рисунок 19

Схема для функции 2

 

Искомая логическая функция, если выписать ее последовательно, заполняя «верх» каждой стрелки, будет иметь следующий вид: .

 

Вопросы для обсуждения.

1. Что мы называем высказывательной формой?

2. Что называется логической переменной?

3. Что есть предикат?

4. Какая функция называется логической (булевой)?

5 Какую задачу мы называем инфологической?

6. Дайте определение логического вентиля.

7Структурные схемы алгоритмов

 

Общие сведения

Широкая известность понятия алгоритма в наше время обусловлена развитием и широким применением электронно-вычислительной техники. Использование ЭВМ способствовало уяснению того, что разработка алгоритма – необходимый этап в процессе решения задачи на ЭВМ и, что в связи с этим, алгоритмы представляют самостоятельную ценность как интеллектуальные ресурсы общества. В данных методических указаниях рассматриваются основы алгоритмизации как внемашинного процесса построения алгоритма.

Большинство филологов термин «алгоритм» связывают с именем выдающегося узбекского ученого Аль Хорезми, жившего в VIII-IX веках. По его трудам в Европе познакомились с десятичной системой счисления и правилами арифметических действий. Книга Аль Хорезми «Арифметика индусскими цифрами» произвела огромное впечатление на европейских математиков. Имя ученого в их устах превратилось в Algorithmus. Аль Хорезми первым сформулировал правила, позволяющие систематически составлять и решать квадратные уравнения.

Строгое математическое определение термина «алгоритм» принадлежит математикам А.Н.Колмогорову и А.А.Маркову. Проблемы, связанные с изучением самого понятия алгоритма, выросли в настоящее время в отдельную «теорию алгоритмов». Потребность такой теории вызвана бурным развитием вычислительной техники, а также средств автоматизированного проектирования промышленных роботов, автоматизированных линий, систем управления. Во всех случаях требуется создание алгоритмов выполнения тех или иных операций разной степени сложности.

Что же мы называем алгоритмом?

В соответствии с ГОСТ 19.004-80 «алгоритм – точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к искомому результату». В литературе встречаются различные трактовки термина «алгоритм». Приведем их.

Алгоритм – система формальных правил, четко и однозначно определяющая процесс выполнения заданной работы в виде конечной последовательности действий.

Алгоритм – точный порядок действий, определяющий процесс перехода от исходных данных к искомому результату.

Алгоритм – это конечный набор правил, однозначно раскрывающих содержание и последовательность выполнения операций для систематического решения определенного класса задач за конечное число шагов.

Алгоритм – однозначно трактуемая конечная последовательность точно определенных шагов или операций, для выполнения каждой из которых требуется конечный объем оперативной памяти и конечное время, необходимое для решения задачи на ЭВМ.

Алгоритм должен обладать следующими свойствами:

- детерминированностью – однозначностью получаемого результата при одних и тех же исходных данных;

- массовостью – возможностью получения искомого результата при различных исходных данных для некоторого класса задач;

- результативностью – для любых допустимых исходных данных алгоритм должен через конечное число шагов завершить свою работу, либо подать сигнал о том, что данный алгоритм неприменим для решения поставленной задачи;

- дискретностью – возможностью разбиения определенного алгоритмического процесса на отдельные элементарные этапы, выполнение которых человеком или ЭВМ не вызывает сомнения, а результат выполнения каждого элементарного этапа определен и понятен.

Существуют различные способы описания алгоритма. Наиболее распространенными считаются следующие формы представления алгоритмов: словесная, формульно-словесная, графическая, на языках программирования.

Словесный способ описания алгоритмов отражает содержание выполняемых действий средствами естественного языка. Достоинства этого способа: общедоступность, возможность описывать алгоритм с любой степенью детализации. Недостатки: громоздкое описание, низкая наглядность.

Формульно-словесный способ описания алгоритмов основан на записи содержания выполняемых действий с использованием изобразительных возможностей языка математики, дополненного с целью указания необходимых пояснений средствами естественного языка. Данный способ более лаконичен и нагляден.

Графический способ описания алгоритмов представляет собой изображение структуры алгоритма, при котором все этапы процесса обработки данных представляются с помощью определенного набора геометрических фигур – блоков, имеющих строгую конфигурацию в соответствии с характером выполняемых действий. Такое графическое представление алгоритма называется схемой алгоритма. Составление алгоритмов осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 19701-90 «Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения» и ГОСТ 19.003-80 «Схемы алгоритмов и программ. Обозначения условные графические». По назначению и характеру отображаемых функций условные графические изображения делятся на основные и вспомогательные. Основные символы используются для представления операций, раскрывающих характер обработки данных в процессе решения задачи. Вспомогательные символы предназначены для пояснения отдельных элементов схемы алгоритма. Изображение схем алгоритмов осуществляется по определенным правилам. Каждая схема должна начинаться и заканчиваться символами, обозначающими начало и окончание алгоритма. Все блоки в схеме располагаются в последовательности сверху вниз и слева направо. Отдельные блоки соединяются между собой линиями потоков информации. Направление линии потока сверху вниз и справа налево принимаются за основные и стрелками не обозначаются в отличие от других направлений. Необходимым условием является один выход из символов, обозначающих обрабатывающие блоки, и двух выходов из символов, обозначающих логические операции по проверке выполнения условий.

Приведем основные условные обозначения функциональных блоков схем алгоритмов (таблица 10).

Таблица 10

Обозначения, название и функциональное назначение блоков алгоритмов

 

Функциональным блокам схемы алгоритма могут присваиваться порядковые номера, которые проставляются слева в верхней части символов в разрыве их контура.

Другой способ нумерации блоков заключается в следующем. Поле листа разбивают на зоны. Координаты зон по горизонтали определяются арабскими цифрами (проставляются слева направо в верхней части листа), по вертикали – прописными латинскими буквами (проставляются сверху вниз в левой части листа). Координаты зон в виде сочетаний букв и цифр присваиваются условным обозначениям блоков, размещенным в полях этих зон (рисунок 20).

Алгоритм может быть записан на одном из языков программирования. Под языком программирования понимается формальный язык, воспринимаемый ЭВМ и предназначенный для общения человека с машиной. Алгоритм, записанный на языке программирования, называется программой. В этом случае алгоритм представляется в виде последовательности операторов языка.

Выясним роль и место алгоритма при решении задач на ЭВМ.

В настоящее время принято выделять следующие этапы подготовки и решения задачи на ЭВМ:

- математическая постановка задачи – предусматривает формирование условий, ограничений и зависимостей, определяющих ее математическое описание, математическую модель. Этот этап является наиболее сложным при решении подавляющего числа задач, однако, когда уже имеются математическая постановка задачи, этот этап опускается;

- выбор численного метода определяет требования, поставленные перед разработчиком: точность решения задачи, время решения, время подготовки и т. п.;

- проектирование алгоритмов – на основании выбранного численного метода и математической постановки задачи строится детальный алгоритм решения задачи;

- составление программы.

Рисунок 20 – Координатный метод нумерации блоков

Алгоритмы бывают чрезвычайно сложными, многоступенчатыми по своей структуре и состоят из тысяч отдельных операций.

При всем многообразии алгоритмов решения задач в них можно выделить три основных (канонических) вида алгоритмических структур: линейную (следование), ветвящуюся, циклическую. С помощью этих трех видов структур можно построить алгоритм любой сложности.

Линейным называется алгоритмический процесс, при котором все этапы решения задачи выполняются в порядке следования записи этих этапов. Порядок выполнения этапов не зависит ни от исходных данных, ни от результатов выполнения предыдущих этапов.

Например, определим величину при (рисунок 21).

 

Рисунок 21 – Линейный вычислительный процесс и структура следование

 

Порядок выполнения операций в алгоритме должен отвечать принципу следования или принципу обеспеченности переменных, в основе которого лежит обеспеченность (определенность) значений переменных на каждом шаге выполнения алгоритма. Так для алгоритма на рисунке 21 перестановка блоков 3 и 4 не допустима, поскольку для вычисления z необходимо значение у.

Ветвящимся называется алгоритмический процесс, в котором выбор направления и характера обработки информации зависит от результатов проверки выполнения какого-либо логического условия. Часто такую структуру называют также структурой ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ. Каждое отдельное направление обработки информации называется ветвью и ведет к общему выходу, так что работа алгоритма продолжается независимо от того, какая ветвь будет выбрана. Базовая структура ветвление приведена на рисунке 22, а. В частном случае может оказаться, что для одного из выбранных путей никаких действий выполнять не надо (рис. 22, б). Такая структура получила название обход или ЕСЛИ-ТО. Для приведения ее к общему виду можно во второй ветви поместить пустую операцию (рис. 22, в). Если в алгоритме ветвление имеет три и более направлений, то его можно представить в виде совокупности базовых структур ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ (рис. 22, г).

Алгоритм, в состав которого входят только структуры следование и ветвление, называется разветвляющимся алгоритмом. Пример разветвляющегося алгоритма приведен на рисунке 20.

Циклический процесс представляет собой алгоритмическую структуру, называемую ЦИКЛ или ПОВТОРЕНИЕ, в которой многократно повторяются однотипные этапы обработки данных. Цикл – многократно повторяющийся участок алгоритма. Циклы, которые не содержат внутри себя других циклов, называются простыми. Сложные или вложенные циклы содержат внутри себя хотя бы одну циклическую структуру.

По способу организации порядка исполнения проверки условия окончания цикла различают две разновидности базовых циклических структур: с проверкой условия окончания цикла до (ЦИКЛ-ПОКА) и после (ЦИКЛ-ДО) реализации цикла (рис. 23).

Операция или группа операций, повторяющаяся в цикле, называется телом цикла. Основное отличие структуры ЦИКЛ-ПОКА от структуры ЦИКЛ-ДО заключается в том, что в первой структуре тело цикла, в зависимости от условия, могут не выполняться совсем, тогда как в структуре ЦИКЛ-ДО тело цикла обязательно выполняется хотя бы один раз.

Алгоритмы, имеющие в своем составе базовую структуру ЦИКЛ, называются циклическими алгоритмами. Пример циклического алгоритма для решения задачи построения таблицы функции

для a изменяющегося от 0° до 360° с шагом 10° с использованием структуры ЦИКЛ-ДО приведен на рис. 24, а. Величина a в этом случае называется параметром цикла.

 

Рисунок 22 – Базовая структура ветвление и ее модификации

 

Для организации цикла необходимы управляющие операции задания начального значения параметра цикла, изменения параметра цикла и проверки условия окончания цикла. На рис. 24, а к управляющим относятся операции 4, 7 и 8. Операции 5 и 6 составляют тело цикла. Следует обращать внимание, что необходимо выносить из цикла операции, результат выполнения которых не зависит от параметра цикла, поскольку это позволяет избежать ненужных повторений в цикле и тем самым экономить время работы.

 

 

Рисунок 23 — Базовая структура ЦИКЛ

а — структура ЦИКЛ-ПОКА; б — структура ЦИКЛ-ДО

 

Организация цикла с использованием структуры ЦИКЛ-ПОКА показана на рис. 24, б. Здесь к управляющим операциям относятся операции 4, 5 и 8, а тело цикла составляют операторы 6 и 7.

Для компактного изображения управляющих операций цикла в схемах алгоритмов используется символ модификации. Пример использования символа модификации для изображения циклических алгоритмов, показанных на рис. 24, а, б приведен на рис. 24, в.

Этот способ графического представления циклических алгоритмов применим для обеих структур ЦИКЛ-ДО и ЦИКЛ-ПОКА, однако, чаще всего, для определенности, его используют для представления структуры ЦИКЛ-ПОКА. Текст заголовка цикла, приведенного в символе модификация, может быть в достаточной степени произвольным, однако чаще всего используют следующую запись:

V = Vn, Vk [,DV],

где V — параметр цикла;

Vn — начальное значение параметра цикла;

Vk — конечное значение параметра цикла;

DV — шаг изменения параметра цикла. Если этот параметр опущен вместе с предшествующей ему запятой, шаг параметра цикла предполагается равным 1.

На практике допускаются обе формы графического представления алгоритма, выбор конкретной формы зависит от степени детализации алгоритма.

 

Рисунок 24 — Схемы циклических алгоритмов

а— структура ЦИКЛ-ДО; б— структура ЦИКЛ-ПОКА;

в — изображение цикла с использованием символа модификация


Лекция 6. логические вентили, схемы, структуры

Рассматриваются основные теоретические (математические, логические) понятия и сведения, касающиеся базовых логических элементов и структур – логических вентилей, логических (переключательных) схем, логической базы аппаратуры ЭВМ и их оптимальной структуры, оптимизации их структур.

Любой, самый примитивный компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как и все в природе и в технике, состоит из простейших элементов. Любой компьютер, точнее, любой его электронный логический блок состоит из десятков и сотен тысяч так называемых вентилей (логических устройств, базовых логических схем ), объединяемых по правилам и законам (аксиомам) алгебры вентилей в схемы, модули.

Логический вентиль (далее – просто вентиль) – это своего рода атом, из которого состоят электронные узлы ЭВМ. Он работает по принципу крана (отсюда и название), открывая или закрывая путь сигналам.

Логические схемы предназначены для реализации различных функций алгебры логики и реализуются с помощью трех базовых логических элементов ( вентилей, логических схем или так называемых переключательных схем ). Они воспроизводят функции полупроводниковых схем.

Работу вентильных, логических схем мы, как и принято, будем рассматривать в двоичной системе и на математическом, логическом уровне, не затрагивая технические аспекты (аспекты микроэлектроники, системотехники, хотя они и очень важны в технической информатике).

Логические функции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции реализуют, соответственно, логические схемы, называемые инвертором, дизъюнктором и конъюнктором.

Логическая функция инверсия, или отрицание, реализуется логической схемой ( вентилем ), называемой инвертор.

Принцип его работы можно условно описать следующим образом: если, например, 0 или ложь отождествить с тем, что на вход этого устройства скачкообразно поступило напряжение в 0 вольт, то на выходе получается 1 или истина, которую можно также отождествить с тем, что на выходе снимается напряжение в 1 вольт.

Аналогично, если предположить, что на входе инвертора будет напряжение в 1 вольт (истина), то на выходе инвертора будет сниматься 0 вольт, то есть ложь ( схемы на рисунках 6.1 а, б).

Рис. 6.1. Принцип работы инвертора

Функцию отрицания можно условно отождествить с электрической схемой соединения в цепи с лампочкой (рис. 6.2), в которой замкнутая цепь соответствует 1 (истина) или х = 1, а размыкание цепи соответствует 0 (ложь) или х = 0.

Рис. 6.2. Электрический аналог схемы инвертора

Дизъюнкцию реализует логическое устройство ( вентиль ) называемое дизьюнктор (рис. 6.3 а, б, в):

Рис. 6.3a.

Рис. 6.3b.

Рис. 6.3c. Принцип работы дизъюнктора

Дизъюнктор условно изображается схематически электрической цепью вида (рис. 6.4)

Рис. 6.4. Электрический аналог схемы дизъюнктора

Конъюнкцию реализует логическая схема ( вентиль ), называемая конъюнктором (рис. 6.5 а, б, в):

Рис. 6.5a.

Рис. 6.5b.

Рис. 6.5c. Принцип работы конъюнктора

Конъюнктор можно условно изобразить схематически электрической цепью вида (рис. 6.6)

Рис. 6.6. Электрический аналог схемы конъюнктора

Схематически инвертор, дизъюнктор и конъюнктор на логических схемах различных устройств можно изображать условно следующим образом (рис. 6.7 а, б, в). Есть и другие общепринятые формы условных обозначений.

Рис. 6.7. а, б, в. Условные обозначения вентилей (вариант)

Из указанных простейших базовых логических элементов собирают, конструируют сложные логические схемы ЭВМ, например, сумматоры, шифраторы, дешифраторы и др. Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы содержат в своем составе (на кристалле кремния площадью в несколько квадратных сантиметров) десятки тысяч вентилей. Это возможно еще и потому, что базовый набор логических схем ( инвертор, конъюнктор, дизъюнктор ) является функционально полным (любую логическую функцию можно представить через эти базовые вентили ), представление логических констант в них одинаково (одинаковы электрические сигналы, представляющие 1 и 0) и различные схемы можно соединять и вкладывать друг в друга (осуществлять композицию и суперпозицию схем).

Таким способом конструируются более сложные узлы ЭВМ – ячейки памяти, регистры, шифраторы, дешифраторы, а также сложнейшие интегральные схемы.

Пример. В двоичной системе таблицу суммирования цифры x и цифры y и получения цифры z с учетом переноса p в некотором разряде чисел x и y можно изобразить таблицей вида

Эту таблицу можно интерпретировать как совместно изображаемую таблицу логических функций (предикатов) вида

Логический элемент, соответствующий этим функциям, называется одноразрядным сумматором и имеет следующую схему (обозначим ее как или – если мы хотим акцентировать именно выбранный, текущий i-й разряд) (рис. 6.9):

Рис. 6.9. Схема одноразрядного сумматора

Важной задачей (технической информатики) является минимизация числа вентилей для реализации той или иной схемы (устройства), что необходимо для более рационального, эффективного воплощения этих схем, для большей производительности и меньшей стоимости ЭВМ. Эту задачу решают с помощью методов теоретической информатики (методов булевой алгебры).

Лекция 2: Базовые элементы цифровой электроники


6.2 Логические вентили, схемы, структуры

Любой, самый примитивный компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как и все в природе и в технике, состоит их простейших элементов. Любой компьютер, точнее, любой его электронный логический блок состоит из десятков и сотен тысяч так называемых вентилей (логических устройств, базовых логических схем), объединяемых по правилам и законам (аксиомам) алгебры вентилей в схемы, модули.

Логический вентиль (далее – просто вентиль) – это своего рода атом, из которого состоят электронные узлы ЭВМ. Он работает по принципу крана (отсюда и название), открывая или закрывая путь сигналам.

Логические схемы предназначены для реализации различных функций алгебры логики и реализуются с помощью трех базовых логических элементов (вентилей, логических схем или так называемых переключательных схем). Они воспроизводят функции полупроводниковых схем.

Работу вентильных, логических схем мы, как и принято, будем рассматривать в двоичной системе и на математическом, логическом уровне, не затрагивая технические аспекты (аспекты микроэлектроники, системотехники, хотя они и очень важны в технической информатике).

Логические функции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции реализуют, соответственно, логические схемы, называемые инвертором, дизъюнктором и конъюнктором.

Логическая функция «инверсия», или отрицание, реализуется логической схемой (вентилем), называемой инвертор.

Принцип его работы можно условно описать следующим образом: если, например, «0» или «ложь» отождествить с тем, что на вход этого устройства скачкообразно поступило напряжение в 0 вольт, то на выходе получается 1 или «истина», которую можно также отождествить с тем, что на выходе снимается напряжение в 1 вольт.

Аналогично, если предположить, что на входе инвертора будет напряжение в 1 вольт («истина»), то на выходе инвертора будет сниматься 0 вольт, то есть «ложь» (схемы на рисунке 9).

Функцию отрицания можно условно отождествить с электрической схемой соединения в цепи с лампочкой (рисунок 10), в которой замкнутая цепь соответствует 1 («истина») или х=1, а размыкание цепи соответствует 0 («ложь») или х=0.

Рисунок 9 – Принцип работы инвертора

Рисунок 10 – Электрический аналог схемы инвертора

Дизъюнкцию реализует логическое устройство (вентиль) называемое дизъюнктор (рисунок 11):

Рисунок 11 – Принцип работы дизъюнктора

Дизъюнктор условно изображается схематически электрической цепью вида (рис. 12)

Рисунок 12Электрический аналог схемы дизъюнктора

Конъюнкцию реализуетлогическая схема (вентиль), называемая конъюнктором (рис. 13):

Рисунок 13Принцип работы конъюнктора

Конъюнктор можно условно изобразить схематически электрической цепью вида (рис. 14)

Рисунок 14Электрический аналог схемы конъюнктора

Схематически инвертор, дизъюнктор и конъюнктор на логических схемах различных устройств можно изображать условно следующим образом (рис. 15). Есть и другие общепринятые формы условных обозначений.

Рисунок 15Условные обозначения вентилей (вариант)

Из указанных простейших базовых логических элементов собирают, конструируют сложные логические схемы ЭВМ, например, сумматоры, шифраторы, дешифраторы и др. Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы содержат в своем составе (на кристалле кремния площадью в несколько квадратных сантиметров) десятки тысяч вентилей. Это возможно еще и потому, что базовый набор логических схем (инвертор, конъюнктор, дизъюнктор) является функционально полным (любую логическую функцию можно представить через эти базовые вентили), представление логических констант в них одинаково (одинаковы электрические сигналы, представляющие 1 и 0) и различные схемы можно «соединять» и «вкладывать» друг в друга (осуществлять композицию и суперпозицию схем).

Таким способом конструируются более сложные узлы ЭВМ – ячейки памяти, регистры, шифраторы, дешифраторы, а также сложнейшие интегральные схемы.

В двоичной системе таблицу суммирования цифры x и цифры y и получения цифры z с учетом переноса p в некотором разряде чисел x и y можно изобразить таблицей вида

x

y

z

p

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

Эту таблицу можно интерпретировать как совместно изображаемую таблицу логических функций (предикатов) вида

Логический элемент, соответствующий этим функциям, называется одноразрядным сумматором и имеет следующую схему (обозначим ее как или– если мы хотим акцентировать именно выбранный, текущийi-й разряд) (рис. 16):

Рисунок 16Схема одноразрядного сумматора

«Черным ящиком» называется некоторое закрытое устройство (логическая, электрическая или иная схема), содержимое которого неизвестно и может быть определено (идентифицировано) только по отдельным проявлениям входа/выхода ящика (значениям входных и выходных сигналов). В «черном ящике» находится некоторая логическая схема, которая в ответ на некоторую последовательность входных (для ящика) логических констант выдает последовательность логических констант, получаемых после выполнения логической схемы внутри «черного ящика». Определим логическую функцию внутри «черного ящика» (рис. 17), если операции выполняются с логическими константами для входных последовательностей (поразрядно). Например, х = 00011101 соответствует последовательности поступающих значений: «ложь», «ложь», «ложь», «истина», «истина», «истина», «ложь», «истина».

Рисунок 17Схема «черного ящика 1»

Из анализа входных значений (входных сигналов) х, у и поразрядного сравнения логических констант в этих сообщениях с константами в значении z – результате выполнения функции в «черном ящике», видно, что подходит, например, функция вида .

Действительно, в результате «поразрядного» сравнения сигналов (последовательностей значений «истина», «ложь») получаем следующие выражения (последовательности логических констант):

.

Важной задачей (технической информатики) является минимизация числа вентилей для реализации той или иной схемы (устройства), что необходимо для более рационального, эффективного воплощения этих схем, для большей производительности и меньшей стоимости ЭВМ.

Эту задачу решают с помощью методов теоретической информатики (методов булевой алгебры).

Пример. Построим схему для логической функции . Схема, построенная для этой логической функции, приведена на рис. 18.

Рисунок 18Схема для функции 1

Пример. Определим логическую функцию , реализуемую логической схемой вида (рис. 19):

Рисунок 19Схема для функции 2

Искомая логическая функция, если выписать ее последовательно, заполняя «верх» каждой стрелки, будет иметь следующий вид: .

Вопросы для обсуждения.

1. Что мы называем высказывательной формой?

2. Что называется логической переменной?

3. Что есть предикат?

4. Какая функция называется логической (булевой)?

5 Какую задачу мы называем инфологической?

6. Дайте определение логического вентиля.

7 Структурные схемы алгоритмов

Логические вентили, схемы, структуры

Любой, самый примитивный компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как и все в природе и в технике, состоит их простейших элементов. Любой компьютер, точнее, любой его электронный логический блок состоит из десятков и сотен тысяч так называемых вентилей (логических устройств, базовых логических схем), объединяемых по правилам и законам (аксиомам) алгебры вентилей в схемы, модули.

Определение 1.14. Логический вентиль (далее – просто вентиль) – это своего рода атом, из которого состоят электронные узлы ЭВМ. Он работает по принципу крана (отсюда и название), открывая или закрывая путь сигналам.

Работу вентильных, логических схем мы, как и принято, будем рассматривать в двоичной системе и на математическом, логическом уровне, не затрагивая технические аспекты (аспекты микроэлектроники, системотехники, хотя они и очень важны в технической информатике).

Логические функции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции реализуют, соответственно, логические схемы, называемые инвертором, дизъюнктором и конъюнктором.

Логическая функция «инверсия», или отрицание, реализуется логической схемой (вентилем), называемой логической схемой НЕ (NOT).

Принцип его работы можно условно описать следующим образом: если, например, «0» или «ложь» отождествить с тем, что на вход этого устройства скачкообразно поступило напряжение в 0 вольт, то на выходе получается 1 или «истина», которую можно также отождествить с тем, что на выходе снимается напряжение в 1 вольт.

Аналогично, если предположить, что на входе инвертора будет напряжение в 1 вольт («истина»), то на выходе инвертора будет сниматься 0 вольт, то есть «ложь» (схемы на рис. 1.1).

Рис. 1.1.  Принцип работы схемы НЕ.

Дизъюнкцию реализует логическое устройство (вентиль) называемое логической схемой ИЛИ (OR) (рис. 1.2 а, б, в).

Рис. 1.2 a.

Рис. 1.2 б.

Рис. 1.2 в.  Принцип работы схемы ИЛИ.

Конъюнкцию реализуетлогическая схема (вентиль), называемая схемой И (AND) (рис. 1.3 а, б, в):

Рис. 1.3 a.

Рис. 1.3 б.

Рис. 1.3 в.  Принцип работы схемы И.

Из простейших базовых логических элементов собирают, конструируют сложные логические схемы ЭВМ, например, сумматоры, шифраторы, дешифраторы и др. Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы содержат в своем составе (на кристалле кремния площадью в несколько квадратных сантиметров) десятки тысяч вентилей. Это возможно еще и потому, что базовый набор логических схем (НЕ, И, ИЛИ) является функционально полным (любую логическую функцию можно представить через эти базовые вентили), представление логических констант в них одинаково (одинаковы электрические сигналы, представляющие 1 и 0) и различные схемы можно «соединять» и «вкладывать» друг в друга (осуществлять композицию и суперпозицию схем).

Таким способом конструируются более сложные узлы ЭВМ – ячейки памяти, регистры, шифраторы, дешифраторы, а также сложнейшие интегральные схемы.

Электрические вентили и выпрямительные устройства

Выпрямители. Электростанции вырабатывают и передают потребителям переменный ток частотой 50 Гц. Однако для аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики в основном требуется постоянный ток. Поэтому возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. Для этого используют выпрямительные устройства (выпрямители), которые состоят из трансформатора Т, выпрямитапьной схемы В и фильтра Ф (рис. 218).

Трансформатор служит для преобразования стандартного переменного напряжения сети в переменное напряжение, при котором на выходе выпрямительного устройства получается постоянное напряжение, необходимое для питания аппаратуры автоматики и телемеханики.

Выпрямительная схема состоит из вентилей, пропускающих ток только в одном направлении. На выходе выпрямительной схемы выпрямленный ток изменяется по величине (пульсирует). В результате

Рис. 218. Структурная схема выпрямительного устройства

действия фильтра пульсация выпрямленного напряжения, подводимого к нагрузке, становится во много раз меньше.

Полупроводниковые вентили. Для электропитания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики применяют полупроводниковые вентили (селеновые, кремниевые). Вентиль представляет собой прибор, обладающий односторонней проводимостью. Току прямого направления вентиль оказывает малое сопротивление, а току обратного направления — очень большое сопротивление. Это основное электрическое свойство вентиля выражается его вольт-ампер ной характеристикой (рис. 219), т. е. зависимостью тока от напряжения, приложенного к вентилю.

При прямом напряжении ?/пр вентиль легко пропускает ток /пр, который резко увеличивается с возрастанием прямого напряжения. Зависимость /пр = ф((Уг|р) выражает прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Обратная ветвь этой характеристики выражает зависимость обратного тока /(|Г)Р от приложенного обратного напряжения ?Уобр. Под действием обратного напряжения вентиль-пропускает незначительный ток, увеличивающийся с возрастанием обратного напряжения. При обратном напряжении, называемом напряжением пробоя, происходит электрический пробой вентиля.

Максимальное обратное напряжение, которое вентиль может выдерживать без пробоя, сохраняя в допустимых пределах значение обратного тока, называется допустимым обратным напряжением. Для надежной работы вентиля допустимое обратное напряжение выбирают намного меньше напряжения пробоя.

Полупроводниковый вентиль представляет собой контактное соединение двух полупроводников с различными типами проводимости — электронной п и дырочной р (рис. 220, а). Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике п по сравнению с полупроводником р электроны будут проникать из полупроводника п в р. Аналогично будут проникать дырки в полупроводник п. В результате этого в тонком пограничном слое полупроводника п образуется объемный положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р — объемный отрицательный заряд.

Электрическое поле этих пространственных зарядов противодействует дальнейшей диффузии электронов и дырок через переход р — п. Таким образом, в слое р — п возникает потенциальный барьер.

Если положительный полюс источника питания соединить с полупроводником р, а отрицательный полюс — с полупроводником п (рис. 220, б), то электрическое поле источника ослабит действие пространственных зарядов и уменьшит потенциальный барьер, в результате чего возрастает диффу-

Рис. 219. Вольт-ампер-ная характеристика вентиля

Рис. 220. Принцип работы вентиля

зия, а следовательно, и ток через переход р — п. Такое соединение источника является прямым. При обратном соединении, когда положительный полюс источника соединен с полупроводником п, а отрицательный -с полупроводником р, внешнее электрическое поле источника усиливает поле пространственных зарядов и удаляет основные носители тока с обеих сторон перехода (рис. 220, в). В этом случае через переход проходит очень малый ток, создаваемый движением неосновных носителей. Таким образом, контактное соединение двух полупроводников с разными проводимостями обладает односторонней проводимостью, т. е. является вентилем.

Селеновые вентили (рис. 221). На алюминиевую пластину 1 круглой, квадратной или прямоугольной формы нанесен тонкий слой селена 2, а поверх него — слой легкоплавкого сплава 3 из олова, кадмия и висмута. Между слоем селена, имеющего дырочную электропроводимость, и легкоплавким сплавом, обладающим электронной проводимостью, образуется вентильный р — «-переход.

Выпускаются селеновые элементы разных размеров на токи нагрузки от 60 мкА до 24 А на один элемент. Чем больше активная поверхность элемента, тем больший ток можно пропустить через него.

В зависимости от допустимого переменного напряжения селеновые элементы делят на шесть классов:

Класс …… В Г Д Е И К

Допустимое значение действующего переменного напряжения, В 20 25 30 35 40 45

Селеновые вентили собирают в выпрямительные столбики. В столбике отдельные элементы соединяют в различные выпрямительные схемы. В системах автоматики и телемеханики используют однофазный и трехфазный выпрямительные мосты. После длительной работы прямое сопротивление селеновых вентилей повышается, это явление называется старением вентилей. В нормальных условиях работы выпрямителей срок их службы составляет примерно 5 лет. При нарушении нормальных режимов работы (перегрузка, превышение допустимой температуры и т.п.) срок службы выпрямителя сокращается.

Кремниевые вентили. Силовые кремниевые вентили подразделяют на неуправляемые и управляемые (тиристоры). По конструкции они

Рис. 221. Селеновый вентиль
Рис. 222. Пояснение к устройству кремниевого вентиля
Рис. 223. Тиристор

напоминают германиевые вентили, но их изготавливают из других материалов. Основой кремниевого вентиля (рис. 222) является тонкая пластинка 2 чистого кремния, обладающая электронной (п) проводимостью. Эту пластину сплавляют с пластиной алюминия 4. Вследствие диффузии атомов алюминия в кремнии создается тонкий слой 3, обладающий дырочной (р) проводимостью. Таким образом, внутри кремниевой пластины создается р — «-переход, обусловливающий выпрямляющее действие вентиля. Кремниевые вентили находятся в герметичном корпусе, что защищает их от влияния влажности окружающей среды. Один вывод кремниевого вентиля соединяется с алюминиевой пластиной, другой — с токосъемным сплавом 1 серебра с сурьмой, нанесенным на другую сторону пластины кремния. Вентиль проводит ток в направлении от алюминия к кремнию. Выпрямительные кремниевые вентили имеют немного большее пря мое сопротивление, чем германиевые, зато их обратное сопротивление примерно на порядок больше. Допустимое обратное напряжение кремниевых вентилей больше, чем германиевых, и достигает 600 В и более, рабочий ток, доЮОО А рабочая температура от — 60 до + 150′ С. Большое допустимое обратное напряжение позволяет составлять выпрямительные схемы из кремниевых вентилей без их последовательного соединения. Кремниевые вентили имеют небольшие размеры и пропускают большие токи, поэтому они требуют интенсивного охлаждения. При небольших нагрузках их охлаждают с помощью радиаторов, а при больших нагрузках-потоком воздуха от специального вентилятора.

Тиристор (рис. 223) представляет собой кремниевую пластину с «-проводимостью, в которой создается четырехслойная полупроводниковая структура р — « — р — «, состоит из трех р — /1-переходов, включаемых последовательно. Два крайних слоя риле припаянными к ним металлическими электродами являются анодом А и катодом К тиристора. К внутреннему слою с проводимостью р присоединяют управляющий электрод УЭ, через который проходит небольшой ток управления.

Тиристор может находиться в двух состояниях: в выключенном, или закрытом, которое характеризуется большим сопротивлением, и во включенном, или открытом, которое характеризуется малым сопротивлением. Переход из закрытого состояния в открытое осуществляется с помощью подачи на анод большого положительного потенциала или подачи в цепь управляющего электрода УЭ необходимого импульса напряжения. Переход тиристора из открытого состояния в закрытое осуществляется при отключении анодного напряжения или уменьшении прямого тока, проходящего через тиристор, до некоторого минимального значения, называемого удерживающим током.

Кремниевые стабилитроны. Плоскостные кремниевые диоды, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения или для получения опорного (образцового неизменного) напряжения, называют кремниевыми стабилитронами или опорными диодами.

Для стабилизации напряжения обычно используют участок АВ вольт-амперной характеристики кремниевого стабилитрона (рис. 224), когда к нему подключают обратное напряжение. При напряжении (УА начинается электрический пробой р — /г-перехода. Напряжению НА соответствует минимальный ток стабилизации /т1П— Обратному напряжению Нв соответствует максимальный ток стабилизации /тах И Наибольшая ДОПуСТИМаЯ МОЩНОСТЬ В СТабИЛИТрОНе РЛ1ах = ИВ/тах-При напряжениях* больших Нв, мощность, выделяемая в стабилитроне, превышает установленный предел. В результате электрический пробой переходит в тепловой и наступает необратимое разрушение р — п- перехода.

Таким образом, в области электрического пробоя (на участке А В вольт-амперной характеристики) кремниевые стабилитроны не перегреваются выше допустимой температуры и не выходят из строя. Причем напряжение пробоя остается почти постоянным при условии, когда обратный ток меняется в очень широких пределах (от /Ш1П до /гаах). Это свойство кремниевых диодов и используют для стабилизации напряжения.выхтах- Номинальное ВХОДНОе Напряжение ?/вх.„ом

соответствует точке Б, расположенной на середине рабочего участка АВ характеристики стабилитрона. Изменению входного напряжения А0ВХ = 11вх тах — ?/вх.1,0м будет соответствовать незначительное изменение выходного напряжения А(УвЫХ-= (УВЬ1Х тах — б/вых„.ом. Сопротивление резистора Во выбирается таким, чтобы при напряжении (Увх тах ток кремниевого стабилитрона не превышал заданный предел, за которым происходит пробой и стабилитрон выходит из строя.

Пределы стабилизации напряжения в кремниевом стабилитроне ограничены минимальным /га1п и максимальным /тах токами стабилизации. Напряжение стабилизации кремниевых стабилитронов зависит от их типа и может быть равно от 3,7 до 100 В. Если необходимо стабилизировать более высокое напряжение, то включают несколько стабилитронов последовательно. Параллельное включение стабилитронов не применяется, так как невозможно подобрать стабилитроны с совершенно одинаковыми вольт-амперными характеристиками и при параллельном включении работает только один стабилитрон, у которого электрический пробой наступает раньше. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода имеет резкий излом при прямом напряжении 1-1,5 В, поэтому кремниевые диоды можно использовать для стабилизации малых напряжений. В этом случае их включают в прямом направлении.

Кремниевые стабилитроны используют в выпрямителях диспетчерской, горочной и электрической централизации для получения опорного (определенного неизменного) напряжения.

⇐Щелочные никепь-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы. Аккумуляторные помещения | Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта | Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры⇒

Применение — полупроводниковый вентиль — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Применение — полупроводниковый вентиль

Cтраница 1

Применение полупроводниковых вентилей для шахтных тяговых подстанций дает возможность создать компактные полупроводниковые выпрямительные установки, что особенно важно в условиях шахты, где многие элементы подстанции должны помещаться во взрывобезопасную оболочку.  [1]

Применение полупроводниковых вентилей в испытательных установках позволяет существенно упростить и облегчить их конструкцию за счет отказа от накального устройства и других элементов схемы.  [2]

Применение полупроводниковых вентилей вносит специфические особенности в эксплуатацию устройств, работающих в цепях обмоток роторов машин. Это относится к высокочастотным колебаниям, перенапряжениям и аварийным токам.  [3]

Область применения полупроводниковых вентилей не ограничивается только выпрямлением переменного тока.  [5]

При применении полупроводниковых вентилей, у которых обратное сопротивление Ri обр не очень велико и имеет большой разброс ( в 10 и выше раз), обратное напряжение будет распределяться пропорционально обратным сопротивлениям и может оказаться ( при большой разнице в гобр), что почти все обратное напряжение ляжет на один вентиль. Он пробьется и тогда наннут пробиваться все остальные. При этом обратное напряжение будет более равномерно распределяться между вентилями.  [6]

При применении полупроводниковых вентилей преимущества имеет мостовая схема, которая может работать непосредственно от сети, если напряжение U подходит по величине для получения нужного значения Ud и не требуется изоляция от питающей сети цепи выпрямленного тока.  [7]

При применении полупроводниковых вентилей преимущества имеет мостовая схема, которая может работать непосредственно от сети, если напряжение U подходит по значению для получечен ия нужного Ua и не требуется изоляция от питающей сети цепи выпрямленного тока.  [8]

Схемы выпрямления с применением полупроводниковых вентилей по существу остаются теми же, что и рассмотренные в § 13 — 7 для кенотронов.  [10]

В последнее время наметилась тенденция применения полупроводниковых вентилей и в каскадных системах, где раньше применялись менее экономичные и менее удобные в эксплуатации ртутные вентили.  [11]

Второе издание учебника дополнено новыми материалами — изложены современные тенденции применения полупроводниковых вентилей в электромагнитных схемах машин и системах их регулирования. Подробно рассмотрены импульсные трансформаторы; асинхронные двигатели, питаемые от преобразователей частоты; вентильный каскад; синхронные генераторы, работающие на выпрямительную нагрузку; вентильные двигатели; двигатели постоянного тока, регулируемые посредством вентильных преобразователей и тиристорно-импульсных прерывателей.  [12]

Большое число вентилей является недостатком этой схемы, однако не очень существенным в случае применения полупроводниковых вентилей, выполненных в виде столба. Практически в схему включают один столб полупроводниковых вентилей.  [14]

Силовой трансформатор для мостовой схемы выпрямления значительно проще, чем для схемы кенотронного выпрямителя ( см. пример 1), так как, во-первых, нет необходимости делать отвод от средней точки повышающей обмотки, а во-вторых, в связи с применением полупроводниковых вентилей отпадает необходимость иметь обмотку накала. Кроме того, в техническом задании не предусмотрено питание цепей накала ламп электронного устройства, для которого проектируется выпрямитель. Следовательно, силовой трансформатор должен иметь всего две обмотки — сетевую и повышающую.  [15]

Страницы:      1    2

Создан логический вентиль из ДНК

В журнале «Nature Nanotechnology» учеными из «Hebrew University of Jerusalem» была опубликована статья, где авторы заявили о создании логического вентиля (базовый элемент цифровой схемы, выполняющий элементарную логическую операцию) на основе молекул ДНК. Устройство теоретически способно работать внутри тела и, например, регулировать выделение лекарственных средств, освобождая их только там, где это необходимо, — пишет «New Scientist».

Логический вентиль выдает тот или иной сигнал на выходе в зависимости от входных сигналов. В данном случае ученым удалось реализовать логические вентили, выполняющие различные логические функции, в частности функцию исключающего «ИЛИ». Ключевыми элементами созданной авторами новой работы системы выступали комплементарные нити ДНК, то есть нити определенных последовательностей, которые образуют друг с другом прочное соединение. Каждая из нитей представляла значение «1», если присутствовала, и «0», если отсутствовала. Чтобы непосредственно наблюдать, какой сигнал нити создают на входе, ученые присоединили к ним флуоресцирующие молекулы. Когда на входе присутствовала только одна нить, молекула испускала свечение, а когда нитей было две, их флуоресценция взаимно гасилась.

Помимо создания единичного работающего логического вентиля, ученые также получили систему из последовательно работающих вентилей, реализующих различные логические функции. Теоретически развитие этой работы может привести к созданию компьютера из ДНК, способного выполнять элементарные арифметические операции — сложение и вычитание. Кроме того, исследователи добились протекания нескольких последовательных операций, когда сигнал на выходе одного устройства служил входным сигналом для следующего.

Авторы новой работы протестировали в пробирке, насколько полезным созданное ими устройство может быть для медицины. Ученые связали логический вентиль с молекулой, способной инактивировать тромбин, фермент, вызывающий сворачивание крови. В норме сворачивание крови позволяет избежать кровотечений, но при сердечно-сосудистых заболеваниях образующиеся сгустки крови представляют серьезную опасность для жизни человека. В созданной учеными схеме инактиватор тромбина выделялся только в том случае, если вентиль «натыкался» на фермент.

Создание компьютеров на основе биологических систем — не самое популярное, но достаточно активно развивающееся направление науки. Различные коллективы исследователей по-разному подходят к решению этого вопроса. Один из возможных подходов — это создание компьютеров из бактерий. Недавно такой компьютер смог решить классическую вычислительную задачу по сортировке блинов.

По материалам www.nature.comrel=»nofollow»>;
www.newscientist.comrel=»nofollow»>; www.lenta.rurel=»nofollow»>

Цікава інформація для Вас:

Считывание схем гидравлических цепей — символы гидравлики и пневматики

Ниже приведены некоторые общие иллюстрации оборудования, расположенного на принципиальных схемах жидкостей, с описанием наиболее распространенных элементов. Позже в этой серии статей мы опишем некоторые простые гидравлические и пневматические схемы, состоящие из этих элементов схемы.

Общие группы элементов контура жидкости

Элементы контура специальных жидкостей

Игольчатые клапаны

Игольчатые клапаны используются для дросселирования или перекрытия потока жидкости.Обычно они изменяют расход при изменении давления или вязкости. Некоторые клапаны могут иметь компенсацию давления и / или температуры.

Клапаны обратные

Обратные клапаны — это односторонние клапаны, пропускающие поток только в одном направлении.

Калибры

Манометры используются для измерения давления масла в определенной точке системы. Обычно это измеряется в фунтах на квадратный дюйм или барах. Один бар = 14,5 фунтов на квадратный дюйм.

Клапаны регулирования расхода
Клапаны управления потоком

используются для управления потоком масла в одном направлении и неограниченным потоком в противоположном направлении.«Дозируемое» управление означает, что регуляторы потока управляют потоком текучей среды, поступающей в привод, «дозируемое» контролируют текучую среду, выходящую из исполнительного механизма. Некоторые клапаны могут иметь компенсацию давления и / или температуры.

Клапаны обратные с пилотным управлением, пилот для открытия

Когда пилотная линия к управляемому обратному клапану не находится под давлением, поток разрешается в одном направлении, но блокируется в противоположном направлении. Когда пилотная линия в пилотном клапане находится под давлением, обратный клапан открыт, позволяя потоку течь в любом направлении.

Клапаны обратные с пилотным управлением, с пилотным управлением

Когда пилотная линия к управляемому обратному клапану не находится под давлением, поток разрешается в одном направлении, но блокируется в противоположном направлении. Когда пилотная линия в управляющем клапане находится под давлением, обратный клапан закрывается, блокируя поток в обоих направлениях.

Запорная арматура

Запорные клапаны используются для изоляции одной части жидкостной системы от другой.

Клапаны стравливания воздуха

Клапаны стравливания воздуха используются для автоматического удаления пузырьков воздуха из гидравлических систем под давлением.

Реле уровня

Один из способов использования реле уровня — определить, когда уровень масла в резервуаре снижается до минимального рабочего уровня.

Реле температуры

Температурный выключатель используется для определения момента, когда масло в резервуаре достигает максимальной рабочей температуры.

Реле давления
Реле давления

используются для определения повышения или понижения давления через заданную точку давления. Эти переключатели могут регулироваться, а могут и не регулироваться.

Редукционные клапаны

Редукционные клапаны используются для понижения давления в отдельных контурах.

Клапаны сброса давления

Клапаны сброса давления используются для ограничения максимального давления во всей или части гидравлической системы.

Уравновешивающие клапаны

Противовесные клапаны используются для управления перегонными нагрузками и для поддержки нагрузок в случае остановки функции в любой момент на протяжении ее хода. ПРИМЕЧАНИЕ: этот клапан обычно предварительно настроен, и его нельзя изменять.

Предохранители потока

Плавкие предохранители потока представляют собой нормально открытые клапаны, которые закрываются, если разница давлений между впускным и выпускным клапанами слишком велика по сравнению с расчетной настройкой.Клапан можно сбросить, изменив направление потока. При размещении на одной линии с приводом (например, цилиндром) плавкие предохранители ограничивают максимальную скорость этого привода.

Аккумуляторы

Аккумуляторы используются для хранения гидравлической энергии и поглощения ударов в гидравлической системе.

ВНИМАНИЕ:

Перед работой с какими-либо компонентами убедитесь, что полностью снята энергия гидравлической системы.

Клапаны гидрораспределители

Направляющие регулирующие клапаны используются для направления потока жидкости в соответствующие линии для обозначенной операции.Эти клапаны обычно имеют электрическое управление.

Гидравлические насосы

Гидравлические насосы используются для перекачки масла от силового агрегата к другим частям гидравлической системы. Некоторые насосы имеют опции управления, такие как компенсаторы давления или расхода.

Фильтры

Фильтры используются для удаления загрязнений из жидкости.

Фильтры

Сетчатые фильтры используются для удаления крупных твердых частиц из воды или масла.У них может быть обратный клапан байпаса.

Гидравлические регулирующие клапаны

Клапаны регулирования воды используются для автоматического регулирования температуры масла в резервуаре путем регулирования объема воды, проходящей через теплообменник.

Теплообменники (охладитель)

Теплообменники используются для отвода тепла от циркулирующего масла в гидравлической системе.Самый распространенный теплообменник — это водомасляный теплообменник, но иногда используются агрегаты воздух-масло. Охладители охладят жидкость.

Теплообменники (подогреватель)

Нагреватели используются для нагрева жидкости.

Цилиндры

Цилиндры используются для преобразования энергии жидкости в механическое поступательное движение.

Гидравлические двигатели

Гидравлические двигатели используются для преобразования гидравлической энергии в механическое вращательное движение.

Быстроразъемные соединения

Быстроразъемные соединения используются для отключения линии, чтобы отделить одну часть оборудования от другой.

Пропорциональные (серво) клапаны

Пропорциональные клапаны — это гидравлические клапаны с электрическим управлением. Эти клапаны пропорционально регулируют гидравлическое давление и / или расход на основе входного электрического сигнала.

Глушители

Глушители используются для снижения шума выходящего воздуха.

Дует воздух

Воздушные удары представлены, как показано ниже. Количество ударов варьируется.

Пневматические приводы

Гидравлические приводы используются для преобразования энергии жидкости в механическое поступательное движение.

Для получения дополнительной информации о чтении схем гидравлических и пневматических цепей прочтите следующую статью этой серии, в которой описаны примеры гидравлических цепей, или обратитесь к представителю Valmet.

Описание символов пневматических цепей

| Библиотека.AutomationDirect

Направленные воздушные регулирующие клапаны являются строительными блоками пневматического управления. Обозначения пневматических контуров, представляющие эти клапаны, предоставляют подробную информацию о клапане, который они представляют. Символы показывают способы срабатывания, количество позиций, пути потока и количество портов. Вот краткое описание того, как читать символ.

Обозначения клапана пневматического контура

Большинство символов клапана состоят из трех частей (см. Рисунок 2A ниже).Приводы — это механизмы, которые заставляют клапан перемещаться из одного положения в другое. Поля «Положение» и «Поток» показывают, как работает клапан. Каждый клапан имеет как минимум два положения, и каждое положение имеет один или несколько путей потока, таким образом, каждый символ клапана имеет как минимум два поля потока для описания этих путей. Ознакомьтесь с нашими интерактивными символами пневматических цепей здесь.

Позиционные и проточные боксы

Количество «блоков положения и потока», составляющих символ клапана, указывает количество положений клапана.Направление потока указано стрелками в каждом поле. Эти стрелки показывают пути потока, которые обеспечивает клапан, когда он находится в каждом положении.

Поле потока рядом с «активным» приводом всегда показывает текущий путь (пути) потока клапана. В приведенном выше примере, когда рычаг НЕ приводится в действие, привод с пружинным возвратом (правая сторона) управляет клапаном, а прямоугольник рядом с пружиной показывает путь потока. Когда рычаг приводится в действие, поле рядом с рычагом показывает путь потока клапана.В данный момент клапан может находиться только в одном положении.

В , рис. 2B (3-позиционный клапан), клапан имеет как соленоиды, так и приводы с пружинным возвратом с обеих сторон, приводы с пружинным возвратом возвращают клапан в центральное положение, но только если ни один из соленоидов не активен. :

В этом 3-позиционном клапане центральная проточная коробка показывает путь потока, когда ни один из приводов не активен, а пружины удерживают клапан в центральном положении.В этом довольно распространенном примере центральная рамка указывает, что воздушного потока не будет (и соответствующий цилиндр не будет двигаться), если один из двух приводов не будет активен. Таким образом, этот тип клапана может использоваться для постепенного «толчка» или «вдавливания» цилиндра вдоль его хода выдвижения или втягивания для различных целей.

Порты

Количество портов отображается числом конечных точек в данном поле. Считайте только порты в одной проточной коробке на символ (например, на символе клапана , рис. 2В, есть три прямоугольника, показывающих каждое из трех различных положений, возможных для клапана).На рис. 2C всего 5 портов. Иногда порт (обычно выпускной порт) выходит прямо в атмосферу, и нет никаких механических средств для крепления глушителей, клапанов управления потоком или каких-либо других аксессуаров. Чтобы обозначить это (на некоторых блок-схемах), порты с возможностью подключения будут иметь короткую линию, выходящую за пределы коробки (как показано на портах 1, 2 и 4), в то время как порты, к которым вы не можете подключиться, не будут иметь внешнего сегмента линии. (порты 3 и 5 в этом примере).

Маркировка портов

Ярлыки портов обычно отображаются на одном блоке потока на символ. Разные производители маркируют порты клапанов разными буквами, но метки справа довольно стандартные. «P» представляет впускной канал давления, «A» и «B» — выпускные отверстия (обычно подключенные к портам «выдвижения» и «втягивания» на цилиндре), а «R» и «S» обозначают выпускные отверстия.

Порты против «Путей»

Клапаны

часто называют количеством портов, а также количеством «путей», по которым воздух может входить или выходить из клапана.В большинстве случаев количество портов и путей одинаково для данного клапана, но обратите внимание на Рисунок 2C выше.

Он имеет пять портов, но считается 4-ходовым клапаном, потому что два из них имеют одну и ту же функцию выпуска. Это заделка гидравлики — здесь два выхлопных тракта соединены (внутри клапана), так что требуется только один возвратный канал, и только одна возвратная линия требуется для возврата гидравлического масла в резервуар для хранения для повторного использования. использовать. Другими словами, в пневматической системе два выпускных отверстия (R и S на , рис. 2D, ) считаются только одним «каналом», поскольку они оба соединяют клапан с одним и тем же местом (атмосферой).В случае нашего пневматического клапана с аналогичной функциональностью отдельные выпускные отверстия созданы для простоты механики (и в качестве меры экономии), но они не считаются отдельными «способами».

Символы на следующей странице показывают многие из портов, путей и положений обычных пневматических клапанов. Спецификация «способов» может быть несколько сложной; Анализ условных обозначений цепи — лучший метод проверки того, что данный клапан предлагает требуемые функции.

Общие символы клапана и привода

Прочие символы пневматических цепей

Другие пневматические компоненты также имеют схемы или символы, но они, как правило, не требуют такого подробного объяснения, как для клапанов.Вот символы для других часто используемых пневматических устройств: Ознакомьтесь с нашими интерактивными символами пневматических цепей здесь.

Первоначально опубликовано: 21 марта 2016 г.

Различные типы клапанов регулирования давления

Клапаны регулирования давления можно найти практически в каждой пневматической и гидравлической системе. Они помогают в выполнении множества функций, от поддержания давления в системе ниже желаемого предела до поддержания заданного уровня давления в части контура.Различные типы клапанов регулирования давления включают сброс, редукцию, последовательность, уравновешивание, безопасность и разгрузку. Все они обычно являются закрытыми клапанами, за исключением редукционных клапанов, которые обычно открыты. Для большинства этих клапанов необходимо ограничение для обеспечения требуемого регулирования давления. Единственным исключением является разгрузочный клапан с внешним управлением, срабатывание которого зависит от внешнего сигнала, который обычно исходит от цифрового регулятора давления. В некоторых приложениях, таких как вентиляторы и наркозные аппараты, поток должен быть постоянным.Изменения в потоке газов могут привести к серьезным травмам или смерти. Вот почему регулирующие клапаны так важны.

Клапаны сброса давления

Большинство пневматических и гидравлических систем питания предназначены для работы в определенном диапазоне давления. Этот диапазон является функцией сил, которые исполнительные механизмы в системе должны создавать для выполнения требуемой работы. Без контроля этих сил силовые компоненты и дорогостоящее оборудование могут быть повреждены. Предохранительные клапаны позволяют избежать этой опасности.Это меры безопасности, которые ограничивают максимальное давление в системе, отводя избыточные газы, когда давление становится слишком высоким. Давление, при котором впервые открывается предохранительный клапан, позволяя протекать жидкости, известно как давление открытия. Когда клапан обходит свой полный номинальный поток, он находится в состоянии полного давления. Разница между давлением полного потока и давлением открытия иногда называется перепадом давления или коррекцией давления.

В некоторых случаях такое отключение давления не вызывает возражений.Это может быть недостатком, если он тратит впустую энергию из-за потери газа через клапан до достижения максимальной настройки. Это может позволить максимальному давлению в системе превысить номинальные значения других компонентов.

Регулирующие клапаны

В схемах с более чем одним исполнительным механизмом, вероятно, необходимо перемещать исполнительные механизмы в определенном порядке или последовательности. Это могут сделать концевые выключатели, таймеры или другие устройства цифрового управления, работающие с регулирующими клапанами. Последовательные клапаны представляют собой нормально закрытые двухходовые клапаны, и они регулируют последовательность, в которой будут выполняться различные функции в контуре.Они напоминают предохранительные клапаны прямого действия, за исключением того, что их пружинные камеры обычно дренируются снаружи, а не изнутри, в выходной порт, как предохранительный клапан. Последовательный клапан позволяет сжатому газу и текучей среде течь ко второй функции только после того, как приоритетная функция была завершена и удовлетворена первой. В закрытом состоянии клапан последовательности позволяет газу беспрепятственно поступать в первичный контур для выполнения своей первой функции до тех пор, пока не будет достигнуто давление, заданное для клапана.

Желаемая последовательность также может быть достигнута путем определения размеров цилиндров в соответствии с нагрузкой, которую они должны перемещать.Цилиндр, для перемещения которого требуется наименьшее давление, выдвигается первым. В конце своего хода давление в системе увеличивается, второй цилиндр выдвигается и так далее. Во многих случаях размер цилиндра определяется ограничением пространства и требованиями к силе. В этих случаях для приведения в действие цилиндров в необходимом порядке используются клапаны последовательности. Клапаны последовательности иногда имеют обратные клапаны, которые обеспечивают обратный поток из вторичного контура в первичный. Однако действие последовательности обеспечивается только тогда, когда поток идет от первичного контура ко вторичному.В некоторых приложениях блокировка может предотвратить выполнение последовательности до тех пор, пока основной привод не достигнет определенного положения. Это делается с помощью удаленных операций.

Редукционные клапаны

Наиболее практичными компонентами для поддержания низкого давления в пневматической системе являются редукционные клапаны. Редукционные клапаны обычно представляют собой открытые двухходовые клапаны, которые закрываются при наличии достаточного давления на выходе. Есть подкатегории редукционных клапанов: прямого действия и пилотного действия. Клапаны прямого действия — это редукционные клапаны , которые ограничивают максимальное давление во вторичном контуре независимо от изменений давления в основном контуре. Это предполагает, что рабочая нагрузка не создает обратного потока в порт редукционного клапана, и в этом случае клапан закроется. Сигнал измерения давления поступает из вторичного контура. Клапан работает в обратном направлении от предохранительного клапана, потому что они обычно закрыты и измеряют давление на входе. Когда давление на выходе достигает заданного значения клапана, клапан закрывается, за исключением небольшого количества газа, которое выходит со стороны низкого давления клапана, обычно через отверстие в золотнике.Золотник в редукционном клапане с пилотным управлением гидравлически уравновешивается давлением на выходе с обоих концов. Пилотный клапан сбрасывает достаточно газа, чтобы расположить золотник так, чтобы поток через главный клапан соответствовал требованиям контура пониженного давления. Если во время цикла поток не требуется, главный клапан закрывается. Утечка газа высокого давления в секцию пониженного давления клапана, затем возвращается в резервуар через предохранительный клапан с пилотным управлением. Этот тип клапана обычно имеет более широкий диапазон регулировки пружины, чем клапаны прямого действия, и обеспечивает лучшую повторяемость.Однако в гидравлических системах загрязнение масла может заблокировать поток к управляющему клапану, и главный клапан не сможет должным образом закрываться.

Противовесные клапаны

Эти клапаны обычно закрыты и часто используются для поддержания установленного давления в части контура, обычно для уравновешивания груза. Тип клапана идеален для уравновешивания внешней силы или противодействия весу, как в прессе, чтобы не допустить его свободного падения. Первичный порт клапана соединен со штоком цилиндра, а вторичный порт соединен с направленным регулирующим клапаном.Давление устанавливается немного выше, чем требуется для предотвращения свободного падения груза. Когда жидкость под давлением течет к торцу крышки цилиндра, цилиндр расширяется и увеличивает давление в конце штока и сдвигает главный золотник в клапане. Это создает путь, который позволяет жидкости проходить через вторичный порт к гидрораспределителю и резервуару. Когда груз поднимается, встроенный обратный клапан открывается, позволяя цилиндру свободно втягиваться. Если необходимо сбросить противодавление в цилиндре и увеличить усилие в нижней части хода, уравновешивающим клапаном можно управлять дистанционно.Когда цилиндр выдвигается, клапан должен открываться, и его вторичный порт соединяется с резервуаром. Когда цилиндр втягивается, не имеет значения, что давление нагрузки ощущается в сливном канале, потому что обратный клапан обходит золотник клапана.

Базовые пневматические схемы — Краткие сведения

Пневматика использовалась в автоматизированных машинах более 100 лет, при этом пневматическая технология в той или иной форме развивалась и развивалась более 1000 лет; например, как паруса лодки.

За прошедшие годы появилось много инноваций, и основные пневматические компоненты, такие как клапаны, соленоиды, цилиндры, шланги и фитинги, хорошо разработаны и отработаны. Эти устройства можно комбинировать разными способами, чтобы обеспечить простое и надежное управление машиной.

Таблица 1. Основные пневматические схемы.

В этой статье рассматриваются передовые методы проектирования пневматики, а затем представлены четыре основных пневматических контура (таблица 1), обычно используемых в автоматизации машин. Несмотря на то, что существует множество вариаций, эти пневматические цепи объединяют основные пневматические компоненты для создания функциональных и надежных пневматических цепей.

Передовые методы проектирования пневматических систем

Прежде чем обсуждать эти четыре основных пневматических контура, лучше всего рассмотреть передовые методы проектирования пневматических систем. Несмотря на то, что существует длинный список потенциальных проблем с пневматикой, таких как низкое или изменяющееся давление воздуха, неправильное использование регуляторов потока, удары пневматических цилиндров при включении питания, а также медленная или непостоянная скорость цилиндров, соблюдение надлежащих методов проектирования пневматики может решить эти и другие проблемы. .

Предпосылками для внедрения передовых методов проектирования пневматических систем является понимание символов пневматических цепей; доступны типы клапанов, такие как 2-ходовые, 3-ходовые и 4-ходовые; пневмоцилиндры; и соответствующие пневматические компоненты, такие как трубки, шланги, регуляторы потока и устройства для подготовки воздуха.

Отправной точкой для хорошей пневматической конструкции является обеспечение надлежащего давления подаваемого воздуха в установку. Для стабильной и надежной работы пневматических устройств необходимы постоянное давление и поток воздуха на заводе. Подготовка воздуха для подачи воздуха в установку также важна и является первой основной пневматической схемой, обсуждаемой ниже.

Чтобы помочь контролировать воздух и связанное с ним движение пневматических приводов, цилиндр не должен быть слишком большого размера, так как это может привести к его медленному ходу из-за потребности в избыточном потоке воздуха.Цилиндр правильного размера обеспечивает более эффективное использование воздуха и движется с более высокой скоростью. Хороший дизайн будет включать использование регуляторов потока для дросселирования воздуха, выходящего из цилиндра, что замедляет движение цилиндра — как правило, желаемый результат. Использование цилиндров со встроенными подушками также помогает остановить цилиндр в конце хода. Как регулятор потока, так и подушки могут помочь предотвратить удары и возможное повреждение цилиндра.

Приводы, которые движутся слишком быстро, могут вызывать чрезмерный шум, равно как и выпуск воздуха из клапанов.Использование глушителей на выхлопных отверстиях — это простая конструктивная практика, которой всегда следует придерживаться, чтобы уменьшить этот шум.

Подсистема подготовки воздуха
Таблица 2. Общие компоненты контура подготовки воздуха.

Что касается воздушного потока, то первым пневматическим контуром, применяемым в большинстве машин, является подготовка воздуха. Сжатый воздух, поступающий с завода, необходимо подготовить до того, как он подаст воздух в любые другие пневматические контуры машины. Цепь подготовки воздуха, показанная на Рисунке 1, начинается с одноточечного пневматического подсоединения воздуха, общие компоненты которого перечислены в Таблице 2.Эти устройства часто включают фильтр, регулятор и реже лубрикатор (FRL).

Порядок пневматических устройств, перечисленных в таблице 2, обычно соответствует порядку сборки устройств в блоке подготовки воздуха, но не всегда. Например, для некоторых конструкций требуется ручной запорный предохранительный клапан (VLV01) или пневматический запорный / запорный клапан, который должен быть первым компонентом, подключенным к системе подачи воздуха в установку. Другие считают, что его следует устанавливать после FRL, чтобы через клапан проходил чистый, сухой воздух.

Этот клапан предназначен для удаления или сброса всего сжатого воздуха из машины. Выпуск воздуха путем вращения ручного клапана или двухтактного действия сбрасывает давление в машине для технического обслуживания, и, хотя это не показано на рисунке 1, этот ручной клапан должен быть заблокирован в положении ВЫКЛ.

Установка этого запорного клапана перед FRL позволяет проводить обслуживание FRL на машине. Без него перед FRL обслуживание фильтра было бы затруднено и могло бы повлиять на другое оборудование в зоне, когда воздух сбрасывается для обслуживания.Дополнительные устройства для подготовки и отсечки воздуха на уровне завода, площади или зоны могут помочь защитить запорный клапан на машине, если это необходимо.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема подготовки воздуха. Хорошая практика проектирования — включать контур подготовки воздуха на любой автоматизированной машине.

Фильтр FIL01 используется для удаления твердых частиц и отделения влаги от воздуха и устанавливается сразу после запорного клапана VLV01. Этот фильтр имеет слив жидкости, обозначенный треугольником в нижней части символа, который может быть ручным, полуавтоматическим или автоматическим.Символ не показывает детали типа сливного бачка, например, цельнометаллический или закрытый. Схема с чертежом расположения пневматической панели должна подробно описывать эту информацию вместе с дополнительной информацией, такой как монтажные кронштейны.

После фильтра находится регулятор (REG01) или он может быть неотъемлемой частью фильтра, что будет обозначено пунктирной линией вокруг фильтра и регулятора. Хотя это и не показано на принципиальной схеме, рекомендуется отмечать рабочее давление машины и максимально допустимое давление.Фенольный ярлык с этой информацией часто прикрепляется рядом с регулятором.

Манометр (GAU01) всегда должен быть в комплекте с регулятором, либо встроенным, либо с резьбой в порту давления, как правило, прилагается к регулятору. Часто реле давления (не показано на рисунке 1) устанавливается сразу после регулятора для контроля состояния нормального давления. Выход этого переключателя обычно является дискретным входом для контроллера машины, такого как программируемый логический контроллер (ПЛК).

Регуляторы

имеют входные и выходные порты для обеспечения надлежащего воздушного потока, в некоторых случаях с функцией разгрузки. Функция сброса уменьшает количество выходящего воздуха, когда регулятор настроен на более низкое давление. Эта функция также обеспечивает снятие давления на выходе при выпуске воздуха на входе. Символы регулятора (REG01 и REG02) показывают, что они имеют разгрузочный тип, обозначенный треугольником в верхнем левом углу каждого устройства.

Регулятор выхода воздуха REG01 производит чистый, сухой и фильтрованный воздух, который затем разделяется через тройник или пневматический распределительный блок (не показан).Одно ответвление обеспечивает подачу смазанного воздуха, а другое — подачу несмазанного воздуха. Подача без смазки питает второй регулятор, а затем электрический клапан плавного пуска / сброса VLV02. Этот клапан обычно отводит воздух к вызывающим движение пневматическим устройствам, таким как цилиндры и приводы, в целях безопасности. Эти устройства обычно не нуждаются в смазке. Когда нажимается аварийный останов, с клапана отключается питание, что заставляет его сбрасывать вызывающее движение давление воздуха из системы.

Рис. 2. Универсальный блок подготовки воздуха NITRA Total Air Prep (TAP).

На представленной схеме воздухоподготовки подается воздух со смазкой и без масла. Сегодня большинству пневматических устройств не требуется смазанный воздух, но если требуется смазка — например, в пневматических пневматических инструментах и ​​двигателях — ее следует отрегулировать на легкую смазку, поскольку слишком много масла может засорить компоненты пневматической системы.

Универсальное устройство (такое, как показано на Рисунке 2) может использоваться для подготовки воздуха. Он объединяет все устройства, представленные на Рисунке 1, за исключением лубрикатора, в одном устройстве.Его можно приобрести у поставщика с одним номером детали, что позволяет сэкономить время на закупку, получение, сборку и установку. Он также включает индикатор засорения фильтра, регулируемое реле давления со светодиодными индикаторами и регулируемые размеры портов в соответствии с расходом, необходимым для конкретного применения.

Цепь цилиндра двойного действия
Рисунок 3. Принципиальная схема цилиндра двойного действия. Эти схемы являются одними из наиболее распространенных устройств на машинах, управляемых ПЛК.

Автоматика выдвижения и втягивания пневмоцилиндра широко используется во многих машинах.На рисунке 3 показана пневматическая схема, состоящая из 4-ходового электромагнитного клапана (SOL01), управляющего цилиндром двустороннего действия (CYL01). Отфильтрованный воздух из блока подготовки воздуха поступает на электромагнитный клапан, управляемый ПЛК.

Символ соленоидного клапана SOL01 указывает на то, что это клапан одностороннего действия с пружинным возвратом. Этот клапан управляется пилотом, на что указывают треугольники с каждой стороны символа. Эти пилотные клапаны эффективны, поскольку для перемещения большого золотника клапана используется небольшое количество воздуха. Однако для перемещения золотника требуется минимальное давление воздуха.Это минимальное рабочее давление воздуха указано в технических характеристиках клапана — обычно требуется около 20 фунтов на квадратный дюйм, чтобы клапан работал в соответствии с конструкцией.

Как показано на символе SOL01, пружина с левой стороны толкает золотник клапана вправо, когда он находится в нормальном состоянии покоя (ВЫКЛ). При выключенном клапане воздух выходит из порта A и проходит через регулируемый регулятор потока к левой стороне цилиндра CYL01, втягивая цилиндр. Когда цилиндр втягивается, воздух с правой стороны цилиндра выходит через устройство регулирования потока.Обратный клапан вокруг регулируемого устройства управления потоком закрывается, продавливая воздух через регулируемую секцию потока устройства. Эти настройки можно использовать для уменьшения скорости втягивания цилиндра. Затем воздух с регулируемым потоком проходит через порт B клапана, а затем через глушитель через порт S.

Обычно такой клапан, как SOL01, запитывается от выхода PLC 24 В постоянного тока. Это переключает клапан, обеспечивая подачу давления через порт B. Подобно потоку в нормальном состоянии покоя, этот воздух свободно проходит через регулятор потока к выдвинутой стороне цилиндра, выдвигая шток цилиндра и плунжер влево.Воздух с левой стороны цилиндра вытесняется через регулятор потока. Когда воздух выходит в порт А клапана, поток можно регулировать. Затем воздух проходит через порт A к каналу R, где установлен глушитель для снижения шума выхлопных газов.

Цилиндр непрерывного цикла, контур
Рисунок 4. Цилиндр непрерывного цикла. Запустите цикл, подав напряжение на 3-ходовой электромагнитный клапан. Цилиндр будет работать до тех пор, пока клапан не будет закрыт. Цикл всегда заканчивается при втянутом цилиндре.

Без необходимости внешнего управления, на рисунке 4 показан пример схемы, показывающей, как отдельные пневматические компоненты могут быть объединены в хорошо продуманную конструкцию для автоматического цикла путем простой подачи сжатого воздуха на клапаны VLV05, VLV07 и VLV08.

При подаче сжатого воздуха, когда соленоид SOL06 находится под напряжением, а CYL03 физически втянут, система начинает цикл, выдвигая и втягивая цилиндр CYL03. В этом состоянии приточный воздух проходит через VLV08 и SOL06, а затем подает пилотный воздух на гидрораспределитель VLV05. Воздух, подаваемый через VLV05, заставляет цилиндр выдвигаться и втягиваться (цикл) аналогично цилиндру двойного действия на Рисунке 3. Чтобы контролировать скорость цикла цилиндра, клапаны управления потоком используются для регулировки потока выходящего воздуха. цилиндр.

По мере выдвижения цилиндра CLY03 он физически приводит в действие 3-ходовой 2-позиционный клапан с пружинным возвратом VLV07. Этот клапан подает пилотный воздух к VLV05. Пилотный воздух переключает положение золотника VLV05, который меняет направление CYL03, втягивая его. Когда цилиндр втянут, VLV08 приводится в действие, подавая пилотный воздух на другую сторону VLV05, заставляя цилиндр двигаться в обратном направлении и выдвигаться. Цикл повторяется до тех пор, пока SOL06 не будет обесточен. После обесточивания цикл заканчивается, когда цилиндр втягивается.

Ключевыми компонентами пневматической логики этой цепи являются 4-ходовой клапан с пневмоприводом (VLV05), который является направляющим клапаном, и два 3-ходовых клапана с роликовым приводом (VLV07 и VLV08), которые делают то же самое. работа в качестве электрических соленоидов для управления положением золотника VLV05. Вместо электричества VLV05 управляется только воздухом пилота. Клапаны VLV07 и VLV08 сконфигурированы как концевые выключатели с механическим рычагом. Кулачки или флажки на цилиндре используются для приведения в действие клапанов. В неактивном состоянии пружина клапанов возвращается в нормальное положение.

Схема двуручного управления
Рисунок 5. Схема двуручного управления. В этом пневматическом контуре используются методы управления двумя руками с помощью ручных пневматических кнопок для повышения безопасности работы небольших прессов.

Пневматическая схема на рисунке 5 представляет собой двуручную пневматическую систему управления безопасностью для пресса. Схема объединяет пневматические кнопки VLV01 и VLV02, сконфигурированные как 3-ходовые клапаны. Эти клапаны подают пилотный воздух в 4-ходовой клапан (VLV03). Эта схема также подчеркивает, как маленькие клапаны — пневматические кнопки — могут использовать управляющий воздух для управления большим клапаном, управляющим большим цилиндром пресса с высокими требованиями к воздушному потоку.Хотя это не показано на этой схеме, можно добавить проверки против заедания, чтобы еще больше повысить безопасность этой конструкции.

Обе пневматические кнопки должны быть нажаты одновременно, чтобы каскадировать пилотный воздух к гидрораспределителю VLV03. Подача управляющего воздуха переключает золотник клапана, заставляя цилиндр пресса двойного действия CYL01 выдвигаться. Когда одна из кнопок отпускается, функция пружинного возврата VLV03 переключает золотник обратно в нормальное положение, обеспечивая подачу воздуха на сторону втягивания цилиндра пресса.

Хотя для втягивания цилиндра пресса необходимо отпустить только одну кнопку, если какая-либо пневматическая кнопка привязана (удерживается нажатой), только одна кнопка может использоваться для приведения в действие (выдвижения) пресса. Это было бы небезопасно. В большинстве систем с высоким усилием нажатия потребуется добавить дополнительные системы безопасности, чтобы проверить, что обе кнопки отпускаются после каждого цикла и что обе кнопки нажимаются одновременно, в течение примерно четверти секунды, перед подачей воздуха для пилота. к распределителю VLV03.Также можно добавить надежные функции управления, чтобы гарантировать, что единичный отказ не позволит системе работать небезопасно.

Как обсуждалось выше, односторонние регулирующие клапаны дросселируют воздух, выходящий из цилиндра, для регулирования скорости. Хотя в этой схеме регулируется только скорость выдвижения пресса, можно добавить второй регулятор скорости для управления скоростью втягивания.

Важным примечанием при управлении воздухом, выходящим из цилиндра, является то, что воздух должен присутствовать для управления скоростью. Если весь воздух выпущен из-за аварийной остановки или утечки воздуха на холостом ходу, цилиндр может двигаться очень быстро в первом цикле.Чтобы устранить эту проблему, иногда поток воздуха в цилиндр, а не из него, используется для управления его движением.

Дополнительные усовершенствования этой схемы, которые не показаны, включают добавление регулятора давления для управления давлением (силой) расширения CYL01. Реле давления также может быть добавлено для защиты от ошибок. Переключатель будет определять, что минимальное давление пресса было достигнуто, и, например, подавать сигнал подтверждения усилия пресса на ПЛК.

Разнообразие пневматических цепей бесконечно, но эти четыре основных примера пневматических цепей показывают, как общие пневматические компоненты могут быть объединены для выполнения полезных функций автоматизации.Приложив немного воображения, FRL, клапаны, регуляторы потока, цилиндры, кнопки, приводы и другие пневматические компоненты можно комбинировать различными способами, чтобы удовлетворить потребности практически любой пневматической системы.

(Обратите внимание, что двуручная схема, описанная и показанная здесь, является базовым функциональным примером и не предназначена для изображения конструкции безопасности оборудования. Как и все конструкции оборудования, связанного с безопасностью, разработчики таких систем должны рассмотреть и соблюдать применимые требования, опубликованные OSHA, ISO и другими организациями.)

Эта статья написана Пэтом Филлипсом, менеджером по продукции, Fluid Power & Mechanical Products, AutomationDirect (Камминг, Джорджия). Для получения дополнительной информации посетите здесь .


Motion Design Magazine

Эта статья впервые появилась в августовском номере журнала Motion Design за август 2021 года.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Другие статьи из архивов читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Миф о схемах клапанов

Миф: Если цепь непрерывна, клапан должен работать электрически.

Можно подумать, что это разумная логика, но подумайте еще раз. Это рассуждение совершенно неубедительно. Я уверен, что вам может быть интересно, почему.

Как специалист по орошению, устраняющий неисправность в цепи клапана, вы, вероятно, будете использовать тестер цепей, который мигает зеленым светом или издает звуковой сигнал при обнаружении обрыва цепи. Отсутствие непрерывности приводит к тому, что горит красный свет или нет сигнала. Даже мультиметры, которые настроены на измерение сопротивления, издают звуковой сигнал, указывающий на целостность цепи.

Часто бывает, что технический специалист интерпретирует тон, звуковой сигнал или зеленый свет тестового прибора как свидетельство того, что в проверяемой цепи отсутствуют неисправности. Остановись прямо там.

Это миф. Цепь проводов клапана может иметь целостность и по-прежнему не работать электрически. Вера в этот миф может привести к судебному разбирательству, как будто с цепью нет проблем. Поговорим о потере драгоценного времени на услуги ирригации! И с клиента может даже взиматься плата больше, чем если бы изначально был поставлен точный диагноз.

Наука

Чтобы понять, почему простая проверка целостности не является полной проверкой неисправности, вы должны сначала понять, как работает электрическая цепь. В то время как вода в ирригационной системе должна перемещаться только из точки A в точку B, путь электричества более сложен. Он должен не только перемещаться от своего источника к соленоиду, но также должен возвращаться обратно к источнику, чтобы создать полную цепь. Рассматривая типичный путь электрической цепи оросительной системы, вы должны подумать обо всех местах, где этот путь может выйти из строя.

Для каждого электрического компонента в ирригационной системе нам необходимо знать не только наличие неисправности, но и точно знать ее тип.

Так же, как вода течет по трубе, электроны текут по проволоке. Поток электронов через цепь называется током и измеряется в амперах. Ток — это то, что поднимает плунжер внутри соленоида.

Чтобы цепь клапана работала должным образом, на соленоид должен поступать ток, достаточный для его размыкания. Многие стандартные клапанные соленоиды требуют около 0.От 40 до 0,50 ампер, чтобы открыть их клапаны. Давайте посмотрим на это в перспективе. Для создания 1 ампер требуется 6 241 000 000 000 000 000 (6 квинтиллионов, 241 квадриллион) электронов в секунду. Это означает, что если для открытия соленоида требуется 0,40 ампера, около 2 496 400 000 000 000 000 электронов в секунду должны достичь его, чтобы создать электромагнитную силу, которая поднимает плунжер и открывает клапан. Это много электронов!

Так что это значит? При использовании только целостности цепи для проверки цепи провода клапана звуковой сигнал или зеленый свет означают только то, что некоторые электроны проходят через всю цепь.Они не скажут вам, достаточно ли усилителей — или слишком много — для подъема поршня внутри соленоида. Теперь вы можете понять, почему тестирование на непрерывность не дает вам достаточно информации для эффективного решения проблемы. Он также может предоставить ложную информацию, которая не только зря тратит ваше время, но и деньги клиента. Никто этого не хочет!

Точный тест

Если проверка целостности может улучшить внешний вид схемы, когда это не так, то какой способ проверки может быть лучше и точнее? Ответ — проверить сопротивление цепи.Его легко измерить, и он может определить исправную цепь или указать тип неисправности в цепи. Измерения сопротивления также можно сравнивать с течением времени, чтобы увидеть, имеет ли цепь тенденцию к отказу.

Не полагайтесь только на сигнал мультиметра, звуковой сигнал или зеленый свет, чтобы сказать вам, исправна ли цепь неисправностей.

Сопротивление — это сопротивление потоку электронов в проводе, которое измеряется в омах. Это как трение в трубе. По мере увеличения сопротивления ток и напряжение уменьшаются.Проблемы в цепи возникают при слишком большом или недостаточном токе.

Измерение сопротивления в цепи провода клапана в Ом позволяет определить, исправна ли цепь или существует один из трех типов неисправностей: обрыв, короткое замыкание или частичное соединение.

Показания в омах подтверждают факты

Показания омметра подскажут, что правильно — или неправильно — в цепи. Звуковая цепь с одним соленоидом на проводе будет иметь показание от 20 до 60 Ом при измерении цепи клапана с контроллера.При орошении звуковая цепь означает, что питание и общие провода, соединения и соленоид исправны или исправны.

При обрыве цепи на цифровом мультиметре будет отображаться 1 или OL. Это означает, что сопротивление потоку электронов настолько велико, что ни один из них не может двигаться по цепи. Общие причины включают:

  • отсоединение стыка;
  • обрыв провода;
  • провод, отсоединенный от клеммы или другого соединения.

Показание от 1 до 12 Ом на проводе с одним соленоидом при измерении цепи клапана от контроллера указывает на короткое замыкание. Это означает, что путь электронов сократился; им не нужно проходить через столько проводов. Более короткий путь означает меньшее сопротивление. Причина может быть:

  • поврежденный соленоид с коротким замыканием внутри.
  • два провода клапана соприкасаются напрямую.
  • Два провода клапана касаются почвы или воды.

Частичное подключение даст вам значение более 60 Ом (вероятно, сотни Ом или более) при измерении цепи клапана с одним соленоидом от контроллера.Частичное соединение означает, что поток электронов ограничен, что приводит к более высокому сопротивлению, потому что электроны не движутся свободно. Причиной может быть:

  • корродированный стык.
  • стык, в котором провода не имеют полного контакта.
  • частично оборванный провод, скорее всего, внутри его изоляционной оболочки.

Слева направо: показания омметра, указывающие: 1) на наличие звуковой цепи; 2) обрыв цепи; 3) короткое замыкание и 4) частичное соединение.

Исключения

Есть некоторые исключения из этих интерпретаций значений сопротивления. Чаще всего это когда два или более соленоида подключены к одному проводу клапана. Ожидаемое значение сопротивления цепи звукового клапана с двумя соленоидами будет почти вдвое меньше значения сопротивления цепи с одним клапаном. В этом нет смысла, если вы не думаете о дополнительных путях, которые могут пройти электроны при наличии нескольких соленоидов. Если два или более соленоида подключены к одному проводу, электроны могут пройти больше путей, чтобы замкнуть цепь.Это уменьшает ток на любом одном пути, уменьшая общее сопротивление.

Это снижение сопротивления по сравнению с одноклапанной схемой продолжается так же, как и для схем с тремя или четырьмя соленоидами на одном проводе клапана.

Сводка

Полагаться на непрерывность, чтобы сообщить нам о состоянии цепи, является ошибкой; проверка целостности цепи может указывать только на обрыв цепи. Прекрасно подходит для проверки предохранителей, но для каждого другого электрического компонента нам нужно знать не только то, что есть неисправность, но и точно знать ее тип.

При тестировании цепи клапана с помощью показаний в омах проверяются провода, соединения и соленоид. Начнем с измерения сопротивления на контроллере. Если есть неисправность, по показаниям мы будем знать, где ее искать. Ремонт можно сделать, а можно получить деньги.

Курт К. Томпсон, CIC, CID, CIT, CLIA, CLWM, является владельцем K. Thompson and Associates, компании по оценке и обучению водопользования, а также руководителем IrriTech Training, онлайн-центра и личного кабинета. — тренинг-компания.С ним можно связаться по адресу [email protected]

Циркуляционные и сердечные клапаны

| Безграничная анатомия и физиология

Сердечное кровообращение

Коронарное кровообращение — это кровообращение в кровеносных сосудах сердца.

Цели обучения

Описать кровообращение в сердце

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Сосуды, снабжающие кровью миокард, называются коронарными артериями и коронарными венами.
  • Левая и правая коронарные артерии ответвляются на более мелкие артерии, такие как важная левая передняя нисходящая (ПМЖВ) коронарная артерия.
  • Сосуды, доставляющие богатую кислородом кровь к миокарду, известны как коронарные артерии. Сосуды, которые удаляют дезоксигенированную кровь из сердечной мышцы, известны как сердечные вены.
  • Перфузия тканей сердца в основном происходит, когда коронарные артерии открываются во время диастолы.
  • Неспособность коронарных артерий обеспечить достаточное кровоснабжение сердца может привести к ишемии, стенокардии и инфаркту миокарда.
  • Норэпинефрин вызывает расширение сосудов в коронарных артериях, но вызывает сужение сосудов в других артериях тела.
  • Инфаркт миокарда является результатом разрыва атеросклеротических бляшек или артериального тромбоза, которые вызывают гибель сердечной ткани от продолжительной ишемии.
Ключевые термины
  • инфаркт миокарда : Некроз сердечной мышцы, вызванный нарушением кровоснабжения сердца, часто в результате длительной ишемии.
  • ишемия : Недостаток кислорода в тканях из-за механического нарушения кровоснабжения, например, из-за сужения или закупорки артерии или сгустка.
  • стенокардия : боль в груди, указывающая на ишемию сердца. Он может быть временным (нестабильным) или стабильным, а стабильные ангины обычно приводят к инфаркту.

Примеры

Атеросклеротические бляшки в коронарной артерии медленно закупоривают (блокируют) сосуд. По мере сужения диаметра сосуда через него будет проходить меньше крови и кислорода, и, следовательно, часть миокарда не будет получать достаточного количества кислорода.Это могло привести к стенокардии и, в конечном итоге, к инфаркту миокарда.

Коронарное кровообращение — это кровообращение в кровеносных сосудах сердечной мышцы. Сосуды, которые доставляют богатую кислородом кровь к миокарду, известны как коронарные артерии. Сосуды, которые удаляют дезоксигенированную кровь из сердечной мышцы, известны как сердечные вены. Кровоснабжение сердца больше, чем у других тканей тела, поскольку сердце имеет постоянную метаболическую потребность, которую необходимо удовлетворять, чтобы сердце постоянно работало.

Коронарное кровообращение : Коронарные артерии отмечены красным текстом, а другие ориентиры — синим текстом.

Структура коронарной артерии

Коронарные артерии берут начало в левой части сердца и спускаются от аорты. Есть множественные коронарные артерии, происходящие от более крупных правой и левой коронарных артерий. Например, важные коронарные артерии, которые ответвляются от более крупных артерий, включают левую переднюю нисходящую (ПНВ) коронарную и правую заднюю коронарные артерии.

Коронарные артерии проходят как вдоль поверхности сердца, так и глубоко внутри миокарда, который имеет наибольшие метаболические потребности среди всех тканей сердца из-за его мышечной массы. Эпикардиальные коронарные артерии, которые проходят по поверхности сердца, способны саморегулировать вазодилатацию и вазоконстрикцию, чтобы поддерживать коронарный кровоток на соответствующих уровнях, соответствующих метаболическим потребностям сердечной мышцы. Эти сосуды относительно узкие и поэтому уязвимы для закупорки, которая может вызвать инфаркт миокарда.Субэндокардиальные коронарные артерии проходят глубоко в миокарде, обеспечивая кислородом всю мышечную ткань сердечной стенки.

Систола и диастола

В систолу миокард желудочков сокращается, создавая высокое внутрижелудочковое давление и сжимая субэндокардиальные коронарные сосуды, позволяя эпикардиальным коронарным сосудам оставаться полностью открытыми. При сжатии субэндокардиальных коронарных сосудов кровоток по существу останавливается ниже поверхности миокарда.

Во время диастолы миокард желудочков сокращается, снижая внутрижелудочковое давление и позволяя субэндокардиальным сосудам снова открываться. Из-за высокого давления, создаваемого в миокарде желудочков во время систолы, большая часть перфузии ткани миокарда происходит во время диастолы. Кроме того, катехоламины, такие как норэфинефрин, которые обычно вызывают сужение сосудов, вместо этого вызывают расширение сосудов в коронарных артериях. Этот механизм связан с бета-адренорецепторами в коронарных артериях и помогает увеличить сердечный выброс, связанный с реакцией «бей или беги».

Инфаркт миокарда

Инфаркт миокарда (сердечный приступ) может быть вызван длительной ишемией (кислородным голоданием) сердца, которая возникает из-за закупорки любой из коронарных артерий. Поскольку в миокарде очень мало ненужного кровоснабжения, закупорка этих сосудов может вызвать серьезные повреждения. Когда эти сосуды блокируются, миокард лишается кислорода, и это состояние называется ишемией. Кратковременные периоды ишемии сердца связаны с сильной болью в груди, называемой стенокардией, которая может быть временной, если сгусток разрушается сам по себе, или стабильной, если это не так.По мере увеличения периода ишемии гипоксические состояния вызывают гибель мышечной ткани, вызывая инфаркт миокарда (сердечный приступ).

Инфаркт миокарда — одна из самых частых причин смерти во всем мире. Сгустки, вызывающие инфаркт, обычно возникают в результате разрыва атеросклеротических бляшек, которые отламываются и закупоривают коронарные артерии, но артериальный тромбоз в результате травмы или скопления крови может также вызвать сердечный приступ. Ткани сердца не регенерируются, поэтому те, кто выжил после инфаркта миокарда, обычно имеют рубцовую ткань в миокарде и могут быть более восприимчивыми к другим проблемам с сердцем в будущем.

Операция атриовентрикулярных клапанов

Атриовентрикулярные клапаны отделяют предсердия от желудочков и предотвращают обратный ток из желудочков в предсердия во время систолы.

Цели обучения

Описать работу атриовентрикулярных клапанов: двустворчатого (митрального) и трехстворчатого

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Атриовентрикулярные клапаны, двустворчатый (митральный) и трехстворчатый клапаны отделяют предсердия от желудочков.
  • Двустворчатый клапан находится на левой стороне сердца, а трехстворчатый клапан — на правой стороне сердца.
  • Кровь течет через атриовентрикулярный (АВ) клапан, когда артериальное давление в предсердиях становится высоким во время систолы предсердий, а артериальное давление в желудочках становится достаточно низким во время желудочковой диастолы, создавая градиент артериального давления.
  • Папиллярные мышцы, пальцевидные выступы стенки желудочков, соединяют сухожильные хорды (сердечные струны) с створками атриовентрикулярных клапанов.Это соединение предотвращает выпадение клапана под давлением.
  • Папиллярные мышцы вместе с сухожильными хордами составляют подклапанный аппарат.
Ключевые термины
  • Атриовентрикулярные клапаны : Эти клапаны отделяют предсердия от желудочков на каждой стороне сердца и предотвращают обратный ток из желудочков в предсердия во время систолы. К ним относятся митральный и трехстворчатый клапаны.
  • Подклапанный аппарат : Сосочковые мышцы и сухожильные хорды, известные как подклапанный аппарат, удерживают клапаны закрытыми, чтобы они не выпадали.
  • митральный клапан : двустворчатый клапан, разделяющий левое предсердие и левый желудочек сердца

Сердечный клапан обеспечивает кровоток только в одном направлении через сердце, а сочетание предсердно-желудочкового и полулунного сердечных клапанов определяет путь кровотока. Клапаны открываются или закрываются в зависимости от перепада давления на клапане. Атриовентрикулярные (АВ) клапаны отделяют предсердия от желудочков на каждой стороне сердца и предотвращают обратный ток крови из желудочков в предсердия во время систолы.

Поперечное сечение сердца с указанием сердечных клапанов : четыре клапана определяют путь кровотока (обозначен стрелками) через сердце

Подклапанный аппарат

Подклапанный аппарат описывает структуры под атриовентрикулярными клапанами, которые предотвращают выпадение клапанов. Выпадение клапана означает, что клапаны не закрываются должным образом, что может вызвать регургитацию или обратный ток крови из желудочка обратно в предсердия, что неэффективно.Подклапанный аппарат включает сухожильные хорды и сосочковые мышцы. AV-клапаны прикреплены к стенке желудочка с помощью сухожильных хорд (сердечных струн), небольших сухожилий, которые предотвращают обратный ток, не давая створкам клапана перевернуться. Сухожильные хорды неэластичны и прикрепляются одним концом к сосочковым мышцам, а другим концом — к створкам клапана.

Папиллярные мышцы — это пальцевидные выступы стенки желудочка, которые закрепляют сухожильные хорды.Это соединение обеспечивает натяжение, удерживающее клапаны на месте и предотвращающее их выпадение в предсердия при закрытии, предотвращая риск срыгивания. Подклапанный аппарат не влияет на открытие и закрытие клапанов, что полностью вызвано градиентом давления крови на клапане, когда кровь течет из областей высокого давления в области низкого давления.

Митральный клапан

Митральный клапан находится на левой стороне сердца и позволяет крови течь из левого предсердия в левый желудочек.Он также известен как двустворчатый клапан, потому что он содержит две створки (створки). Расслабление миокарда желудочков и сокращение миокарда предсердий вызывают градиент давления, который обеспечивает быстрый кровоток из левого предсердия в левый желудочек через митральный клапан. Систола (сокращение) предсердий увеличивает давление в предсердиях, в то время как диастола желудочков (расслабление) снижает давление в желудочке, вызывая индуцированный давлением поток крови через клапан.Митральное кольцо, кольцо вокруг митрального клапана, меняет форму и размер во время сердечного цикла, чтобы предотвратить обратный ток. Кольцо сжимается в конце систолы предсердий из-за сжатия левого предсердия вокруг него, что помогает соединить створки вместе, чтобы обеспечить надежное закрытие во время систолы желудочков.

Трехстворчатый клапан

Трикуспидальный клапан — это трехстворчатый клапан на правой стороне сердца между правым предсердием и правым желудочком, который останавливает обратный ток крови между ними.Трехстворчатый клапан функционирует аналогично двустворчатому клапану, за исключением того, что три сухожильные хорды соединяют створки клапана с тремя сосочковыми мышцами, а не с парой, которая соединяет двустворчатый клапан. Кровь проходит через трехстворчатый клапан так же, как и через двустворчатый клапан, в зависимости от градиента давления от высокого до низкого давления во время систолы и диастолы.

Причина, по которой клапаны имеют разное количество створок, до конца не выяснена, но может возникать из-за различий в структуре тканей и давления, которые возникают во время развития плода.

Работа полулунных клапанов

Полулунные клапаны позволяют перекачивать кровь в основные артерии, предотвращая обратный ток крови из артерий в желудочки.

Цели обучения

Опишите работу полулунных клапанов

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Полулунные клапаны предотвращают обратный ток крови из артерий в желудочки во время желудочковой диастолы и помогают поддерживать давление на основные артерии.
  • Аортальный полулунный клапан отделяет левый желудочек от отверстия аорты.
  • Аортальный и легочный клапаны — это полулунные клапаны, которые отделяют желудочки от аорты и легочной артерии соответственно.
  • Частичные изменения градиента давления во время систолы и диастолы вызывают открытие и закрытие клапанов.
  • Стеноз клапана — это когда клапаны сужаются и не могут полностью открыться, а срыгивание — это когда они не могут полностью закрыться.В обоих случаях сердце должно работать больше, чтобы компенсировать неисправные клапаны.
Ключевые термины
  • полулунные клапаны : расположены у основания ствола легочной артерии и аорты и предотвращают обратный ток крови из артерий в желудочки.
  • стеноз : сужение клапанов, которое не позволяет им полностью открыться.

Полулунные клапаны расположены на соединениях между легочной артерией и правым желудочком, а также аортой и левым желудочком.Эти клапаны позволяют перекачивать кровь вперед в артерии, но предотвращают обратный поток крови из артерий в желудочки. Эти клапаны не имеют подклапанного аппарата и больше похожи на полулунные клапаны в венах и лимфатических сосудах, чем на атриовентрикулярные (АВ) клапаны.

Полулунные клапаны действуют совместно с AV-клапанами, направляя кровоток через сердце. Когда атриовентрикулярные клапаны открыты, полулунные клапаны закрываются, и кровь нагнетается в желудочки.Когда клапаны AV закрываются, полулунные клапаны открываются, заставляя кровь поступать в аорту и легочную артерию. Механизм этого процесса зависит от градиентов артериального давления в сердце, которые обеспечивают силу, проталкивающую кровь через полулунные клапаны.

Аортальный клапан

Аортальный клапан отделяет левый желудочек от аорты и имеет три створки. Во время систолы желудочков в левом желудочке повышается давление. Когда давление в левом желудочке превышает давление в аорте, аортальный клапан открывается, и кровь течет из левого желудочка в аорту.Когда систола желудочков заканчивается, давление в левом желудочке быстро падает, и клапан закрывается из-за отсутствия давления, оказываемого на них из левого желудочка. Артериальное давление в аорте после систолы также вызывает закрытие клапана. Закрытие аортального клапана производит звук, который является компонентом второго тона сердца.

Сердце, вид сверху : На этом виде сердца спереди показаны полулунные клапаны, а также аортальный и легочный клапаны.

Легочный клапан

Легочный клапан (также называемый легочным клапаном), который также имеет три створки, отделяет правый желудочек от легочной артерии. Подобно аортальному клапану, легочный клапан открывается в систолу желудочков, когда давление в правом желудочке превышает давление в легочной артерии. Когда систола желудочков заканчивается, давление в правом желудочке быстро падает, и давление в легочной артерии заставляет легочный клапан закрыться.Закрытие клапана легочной артерии также производит звук, однако он тише, чем звук из аорты, потому что артериальное давление в правой части сердца ниже, чем в левой, из-за различий между легочным и системным кровообращением.

Проблемы с клапаном

Клапаны уязвимы к нескольким условиям, которые нарушают их нормальное функционирование. Двумя наиболее частыми проблемами с полулунными клапанами являются стеноз и регургитация. Стеноз клапана относится к сужению клапанов, которое не позволяет клапану полностью открыться, вызывая затруднение кровотока.Стеноз клапана часто вызывается накоплением кальция и рубцеванием от ревматической лихорадки и может вызвать гипертрофию сердца и сердечную недостаточность. Клапанная регургитация — это обратный поток через клапаны, который возникает, когда они не могут полностью закрыться. Это причина большинства сердечных шумов и, как правило, незначительная проблема, но в достаточно серьезном случае может вызвать сердечную недостаточность. Стеноз и регургитация могут возникать как в полулунных, так и в атриовентрикулярных клапанах.

Системное и легочное кровообращение

Сердечно-сосудистая система имеет два различных пути кровообращения: малое кровообращение и большой круг кровообращения.

Цели обучения

Различают контуры системного и малого круга кровообращения

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Сердечно-сосудистая система состоит из двух путей кровообращения: легочного кровообращения, контура через легкие, где кровь насыщается кислородом, и системного кровообращения, контура через остальную часть тела для обеспечения насыщенной кислородом крови.
  • В малом круге кровообращения кровь проходит через капилляры альвеол, воздушные мешочки в легких, которые обеспечивают газообмен.
  • По мере прохождения крови по кровотоку размер сосуда уменьшается от артерии / вены до артериолы / венулы и, наконец, до капилляров, мельчайших сосудов для обмена газа и питательных веществ.
  • Системное и малое кровообращение переходят к противоположному типу кровообращения, когда они возвращают кровь к противоположной стороне сердца.
  • Системное кровообращение — это система гораздо большего размера и с более высоким давлением, чем малый круг кровообращения.
Ключевые термины
  • альвеолы ​​: Воздушные мешочки в легких, которые обеспечивают поверхность для газообмена между воздухом и капиллярами.
  • малое кровообращение : Часть кровообращения, которая переносит обедненную кислородом кровь от сердца в легкие и возвращает насыщенную кислородом кровь обратно в сердце.
  • системное кровообращение : Часть кровообращения, которая переносит насыщенную кислородом кровь от сердца в тело и возвращает дезоксигенированную кровь обратно в сердце.

Сердечно-сосудистая система состоит из двух каналов кровообращения: легочного кровообращения, проходящего через легкие, где кровь насыщается кислородом; и системное кровообращение, циркуляция через остальную часть тела для обеспечения насыщенной кислородом крови.Два контура связаны друг с другом через сердце, создавая непрерывный цикл крови в организме.

Легочное кровообращение

Легочное кровообращение — это движение крови от сердца к легким для насыщения кислородом, а затем снова к сердцу. Обедненная кислородом кровь из организма покидает системный кровоток, когда попадает в правое предсердие через верхнюю и нижнюю полые вены. Затем кровь перекачивается через трехстворчатый клапан в правый желудочек.Из правого желудочка кровь перекачивается через легочный клапан в легочную артерию. Легочная артерия разделяется на правую и левую легочные артерии и движется к каждому легкому.

В легких кровь проходит через капиллярные русла альвеол, где происходит газообмен, удаляя углекислый газ и добавляя в кровь кислород. Газообмен происходит из-за градиентов парциального давления газа в альвеолах легких и капиллярах, вплетенных в альвеолы.Затем насыщенная кислородом кровь покидает легкие через легочные вены, которые возвращают ее в левое предсердие, замыкая легочный контур. Когда легочный контур заканчивается, начинается системный контур.

Альвеолы ​​: Схема альвеол, показывающая капиллярные русла, в которых происходит газообмен с кровью.

Легочный контур : Схема малого круга кровообращения. Кровь, богатая кислородом, показана красным цветом; обедненная кислородом кровь синим цветом.

Системное обращение

Системное кровообращение — это движение крови от сердца по телу для обеспечения кислородом и питательными веществами тканей тела, при этом дезоксигенированная кровь возвращается к сердцу.Кислородная кровь поступает в левое предсердие по легочным венам. Затем кровь перекачивается через митральный клапан в левый желудочек. Из левого желудочка кровь перекачивается через аортальный клапан в аорту, самую большую артерию тела. Аорта изгибается и разветвляется на основные артерии, ведущие к верхней части тела, прежде чем пройти через диафрагму, где она разветвляется дальше в подвздошные, почечные и надпочечные артерии, которые снабжают кровью нижние части тела.

Артерии разветвляются на более мелкие артерии, артериолы и, наконец, капилляры.Обмен газа и питательных веществ с тканями происходит в капиллярах, которые проходят через ткани. Метаболические отходы и углекислый газ диффундируют из клетки в кровь, в то время как кислород и глюкоза в крови диффундируют из крови в клетку. Системное кровообращение поддерживает обмен веществ в каждом органе и каждой ткани тела, за исключением паренхимы легких, снабжаемой легочным кровообращением.

Деоксигенированная кровь проходит через капилляры, которые сливаются с венулами, затем с венами и, наконец, с полыми венами, которые стекают в правое предсердие сердца.Из правого предсердия кровь будет проходить по малому кругу кровообращения, чтобы насыщаться кислородом, прежде чем вернуть ее в системную циркуляцию, завершая цикл циркуляции в организме. Артериальный компонент большого круга кровообращения — самое высокое кровяное давление в организме. Венозный компонент большого круга кровообращения имеет значительно более низкое кровяное давление по сравнению с этим из-за удаленности от сердца, но содержит полулунные клапаны для компенсации. Системное кровообращение в целом представляет собой систему с более высоким давлением, чем малое кровообращение, просто потому, что системное кровообращение должно проталкивать большие объемы крови дальше через тело по сравнению с малым кровообращением.

Балансировочный клапан для горячей воды

| CircuitSolver

Балансировка систем рециркуляции горячей воды никогда не была такой простой с CircuitSolver® — первым на рынке и ведущим термостатическим балансировочным клапаном.

Балансировка системы горячего водоснабжения

CircuitSolver® представляет собой термостатический самодействующий балансировочный клапан, который автоматически и непрерывно регулирует поток в системах рециркуляции горячей воды для бытового потребления для поддержания заданной температуры в конце каждого ответвления.CircuitSolver® регулирует поток в ответ на потери тепла и колебания потребления, сокращая рабочее время и устраняя обратные вызовы.

Учить больше

Дренажный клапан темперирования (DTV)

Сточная вода из торгового оборудования, температура которой превышает 140 ° F, должна быть достаточно доведена до попадания в общественную канализацию, чтобы соответствовать требованиям по водопроводу и предотвратить повреждение трубопроводов из ПВХ. Чтобы упростить соблюдение нормативных требований, дренажный клапан темперирования (DTV) установлен на линии для непрерывного контроля сточных вод и автоматического распределения потока холодной воды.

Учить больше

Водонагреватель ESS для безопасного душа

Водонагреватель ESS — это комплексная система, разработанная в соответствии с требованиями ANSI Z358.1-2014 для подачи теплой воды в систему аварийного полива. Устройство использует смесительный клапан Therm-O-Mix® WWM для объединения горячей и холодной воды с температурой 85 ° F, соответствующей требованиям OSHA, и будет продолжать работу даже при отключении электричества.

Учить больше

Чтобы получить горячую воду, потребовалось более полутора минут, а теперь время сократилось до 15-20 секунд … также огромная экономия воды … это была довольно простая модернизация.

— Роберт Альбанезе — Austonian

Примечание: для этого содержимого требуется JavaScript. .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.