Принципы действия запоминающих и переключающихся цепей с сердечниками с прямоугольной петлей гистерезиса

 3.3. Принципы действия запоминающих и переключающихся цепей с сердечниками с прямоугольной петлей гистерезиса

Толчок развитию запоминающих устройств на основе магнитных материалов дали постоянно повышающиеся к ЭВМ. По принципу действия элементы запоминающих устройств делятся на две группы. Первые требуют постоянного обновления поступающей информации. Так работают запоминающие устройства, основанные на принципе линии задержки. Вторые длительно сохраняют записанную информацию. У магнитных запоминающих устройств этой группы носителем информации является остаточная индукция магнитного материала. Эти устройства также делятся на два типа. У первого магнитный материал перемещается относительно катушки, применяемой для записи или чтения. Информацию можно получить только в определенный момент, а именно тогда, когда запись проходит как раз под считывающей катушкой. У второго типа, т.е. статических устройств магнитной памяти и других подобных им усройств, запись и чтение производятся перемагничиванием неподвижного ферромагнитного материала. Информацию можно получить в любой момент времени. Запоминающие устройства осуществляют запись информации с помощью двух возможных состояний запоминающего элемента, чаще всего обозначаемых индексами 0 и 1.

Магнитные переключающиеся цепи всегда имеют электрический выход, т.е. обмотку из провода с определенным сопротивлением. Переключение осуществляется изменением индуктивности или же изменением взаимосвязи у трансформатора, а поэтому может применяться только при переменном или импульсном напряжении и непригодно для постоянного тока.

Чтобы обосновать требования к магнитным материалам этих цепей, опишем кратко работу матричного магнитного запоминающего устройства, матричного переключающего устройства и устройства магнитной памяти, основанного на принципе односердечникового магнитного усилителя, где чаще всего применяются ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

Запись информации в статические устролйства магнитной памяти заключается в перемагничивании тороидального сердечника из одного состояния в обратное. Два возможных состояния запоминающего элемента требуют представления информвции в бинарном (двоичном) виде, а поэтому необходимо значительное количество сердечников. Металлические сердечники дороги и имеют большие размеры, а поэтому развитие запоминающих устройств большой емкости стало возможно лишь после появления ферритов с ППГ. Рассмотрим принцип действия устройства на одном сердечнике (рис. 6). Через записывающую обмотку А проходит положительный токовый импульс, который намагничивает сердечник до насыщения. После исчезновения импульса сердечник будет находиться в состоянии индукции В_r, что соответствует записи 1. Состоянию 0 соответствует намагничивание в обратном направлении. Если теперь через обмотку В пройдет другой импульс отрицательной полярности, то сердечник перемагничивается из состояния 1 в состояние 0 и в выходной обмотке С индуцируется импульс напряжения. Если сердечник намагничен в отрицательном направлении, т.е. находится в состоянии 0, то считывающий импульс в обмотке В не вызовет перемагничивания сердечника.

Рис.7 Чтение и запись на магнитный сердечник

Выходное напряжение в обмотке С будет незначительным. Основанные на этом принципе устройства памяти имеют тот недостаток, что при считывании снимается первоначальная запись и информацию необходимо снова записывать. Существенными достоинствами такого устройства являются доступность информации в любой момент, очень малое время записи (порядка наносекунд) и сохранение информации без потребления энергии.

Практические магнитные матричные устройства памяти работают по принципу совпадения импульсов в двух обмотках. Такую схему иллюстрирует рис.8. Все обмотки имеют только один виток, а сердечники надеты в местах пересечения проводов А и В. Через провода А и В проходят импульсы тока такой величины, чтобы импульс тока в одном проводе не мог перемагнитить сердечник, а суммарный импульс тока в двух проводах перемагничивал его. При записи 1 через определенные провода А и В пройдут токи величиной I_m/2, которые намагничивают только тот сердечник, в котором их действие складывается. Состояние остальных сердечников не изменяется.

Рис.8 Матричное запоминающее устройство

При чтении информации, записанной в сердечнике, в провода А и В подается импульс тока -I_m/2, т.е. такой же, как для записи 0. Во всех сердечниках возникает магнитное поле с напряженностью -H_m/2, за исключением пересечения проводов А и В, где возникает суммарное поле с напряженностью H_m. Если при этом сердечник имел положительную остаточную индукцию, то он перемагничивается и в выходной обмотке С индуцируется импульс.

Сердечники запоминающих элементов не имеют идеально прямоугольной петли гистерезиса, а поэтому небольшой выходной импульс возникает и в сердечниках с состоянием 0. При большом числе сердечников в запоминающем устройстве важно, чтобы эти нежелательные импульсы оставались достаточно малыми и их можно было отличить от полезного сигнала. На записанную информацию повторное намагничивание половинными импульсами обратной полярности не должно оказывать влияния.

Трудно устранить нежелательные импульсы при чтении информации. Считывающая обмотка проходит через сердечники в попеременном направлении, чтобы нежелательные сигналы всех обмоток по возможности компенсировали друг друга. Это предполагает полную идентичность сердечников. При изготовлении отдельные сердечники получаются различными, а поэтому их необходимо сортировать. Для построения матрицы запоминающего устройства применяются только сердечники, имеющие различия лишь в очень узких допусках. Хорошие результаты получаются при дифференцировании импульсов по длительности. У большинства типов сердечников вредный импульс значительно короче импульса, вызванного перемагничиванием. Поэтому выходное напряжение считывается лишь после окончания вредного импульса, благодаря чему их различие достигает отношения около 200:1. Этот метод называется методом задержки считывания. Свойства запоминающего устройства улучшают и другие многочисленные меры, как, например, считывающие импульсы различной длительности, заканчивающиеся в один и тот же момент. Нежелательный сигнал одного ряда исчезает раньше, чем приходит импульс в другой ряд, и только половина сердечников оказывает влияние на выходной сигнал. Самый простой способ дифференциации - дифференциация по максимальному значению. Различие при этом достигает соотношения до 30:1.

Чтобы сердечники могли управляться малыми токами при одновитковой обмотке, необходимы сердечники с возможно меньшими размерами и коэрцитивной силой. Для записи информации сердечник намагничивается полем, превышающим коэрцитивную силу приблизительно в 2 раза. Скорость, с которой информация может быть занесена в матрицу и считана с нее, зависит от времени от начала токового импульса, намагничивающего сердечник, до снижения выходного напряжения до совершенно незначительной величины, т.к. перемагничивание крутыми токовыми импульсами происходит не мгновенно и длительность его для различных материалов различна.

Указаный тип запоминающих устройств работает с так называемым координатным выбором. Выбор сердечника производится подачей тока в провода обеих координат. Считывающая обмотка проходит через все сердечники и импульсы в ней складываются. При адресном выборе каждый столбец сердечника имеет самостоятельный выход, и при чтении в выбранный ряд (адрес) вводится полный ток для перемагничивания. После считвания информация тотчас обновляется. Одна и та же обмотка служит и для чтения и для записи. Через каждый сердечник проходят только два провода. Адресный выбор информации позволяет применять и менее качественные сердечники, в чем состоит его преимущество, т.к. для перемагничивания сердечников можно ввести больший токовый импульс, чем возникающий при совпадении двух импульсов величиной I_m/2. Наоборот, сердечники, не лежащие на выбранном адресе, не намагничиваютя вообще и не создают помех. Применение одной обмотки для лвух целей требует переключения, а следовательно, большего количества переключающих элементов цепи. Этого можно избежать сдваиванием проводов столбцов. Отдельные конструкции запоминающих устройств отличаются друг от друга в деталях, а поэтому оптимальные рабочие параметры должны определяться в зависимости от сердечников и схемы, применяемой в рассматриваемом случае.

Систему сердечников в матричной схеме можно использовать также для переключения.

Рис.9 Магнитный матричный переключатель

Ее выгоды особенно отчетливы при большом числе переключающихся цепей. Такая переключающаяся схема заменяет большое число электронных ламп и требует меньше места и энергии. Пример переключающейся схемы приведен на рис.9. Сердечники, образующие матрицу, имеют обмотки Х и Y с несколькими витками. Кроме того, на каждом из них есть выходная обмотка. В исходном состоянии через обмотки одной линии проходит ток, в 2 раза больший тока, необходимого для насыщения. В поперечной обмотке тока нет. Если выбранный сердечник должен дать на выходе импульс, то ток в проводе Y прерывается, а в провод Х подается достаточно сильный токовый импульс. В результате происходит перемагничивание сердечника, находящегося на пересечении проводов Х и Y. Другие схемы переключающихся устройств используют постоянное подмагничивание всех сердечников другой обмотки; выходной импульс вызывается совпадением токов в проводах Х и Y. Выходы переключающейся схемы подходят к отдельным обмоткам матричного запоминающего устройства. Как и у запоминающих устройств, здесь необходимо ограничить влияние

Рис.10 Схема магнитного усилителя с одним сердечником.

вредных сигналов. Требование к прямоугольности сигналов у переключающихся цепей менее жесткие.

Тороидальные сердечники из материалов с ППГ широко применяются в магнитных логических цепях, которые заменяют электромеханические реле. Эти бесконтактные цепи значительно надежнее, не требуют ухода, могут работать гораздо быстрее, после заливки компаундом стойки к коррозионной атмосфере и сотрясениям, а срок службы их почти не ограничен. Единственным недостатком являтся цена, которая выше, чем цена реле. Магнитные логические цепи оправдали себя в устройствах, в которых основным требованием является надежность работы. Они применяются в промышленности для управления приводами, транспортерами, для сигнализации, в цифровой технике и в машинах для обработки информации.

Основным элементом таких схем является магнитный усилитель по схеме Рамея. Усиление невелико, оно только дает возможность управлять одним выходным сигналом несколькими управляющими цепями.

Основная схема однополупериодного магнитного усилителя Рамея приведена на рис.10. Сердечник с ППГ имеет две обмотки: рабочую и управляющую. Работу усилителя лучше всего рассмотреть отдельно в два полупериода. В персвом полупериоде (рабочем) ток проводит выпрямитель D₂, благодаря чему сердечник насыщается.

В последующем управляющем полупериоде выпрямитель в цепи нагрузки не проводит тока, а во входной цепи проходит ток, определяемый разностью напряжений, который перемагничивает сердечник из состояния насыщения в обратном направлении. В следующем рабочем полупериоде сердечник намагничивается опять, и, как только он насытится, в остаток полупериода через нагрузку проходит полный ток. Если на входе нет напряжения, то сердечник всегда перемагничивается из одного состояния насыщения в обратное и через нагрузку проходит лишь незначительный намагничивающий ток. При полном входном напряжении, которое может быть переменным или постоянным, а также иметь форму отдельного импульса, сердечник все время остается насыщенным и через нагрузку в течение всего рабочего полупериода проходит полный ток. Усилитель Рамея сохраняет величину импульса напряжения, т.е. сердечник играет роль памяти. Выход запаздывает за входом всегда на один полупериод питающего напряжения. Каскадным включением нескольких таких усилителей получается переключающаяся линия задержки. При кольцевом соединении двух таких усилителей получается переключающаяся цепь. Усилитель с двумя и более параллельными входами служит в качестве суммирующего элемента. К материалу сердечников логических цепей предъявляются высокие требования. Это прежде всего большая относительная остаточная индукция, чтобы случайные импульсы помех не могли исказить записанную информацию. Кроме того, необходима как можно меньшая коэрцитивная сила, чтобы усиление было максимальным. Т.к. цепь нагружена с отбором мощности, индукция должна быть как можно большей.

На рис.11 показана цепь для логического перемножения. Напряжение на выходе будет только в том случае, если будет напряжение на всех трех входах А, В и С. Эта цепь заменяет последовательное соединение трех реле. Совместно с подобной цепью для логического суммирования и вычитания она позволяет составить произвольную сложную релейную схему. Основные схемы в качестве самостоятельных единиц встраиваются в виде коробки с многополюсным разъемом. Они вставляются в шкаф так же, как и электронные лампы и образуют, таким образом релейную схему.

Рис.11 Схема цепи логического перемножения

Логические цепи могут быть составлены также из обычных магнитных усилителей с обратной связью. Такая схема при данной частоте питающего напряжения более медленная. Для цепей управления приводами в промышленности в большинстве случаев применяется частота 50 или 400 Гц, а в счетных машинах - до 1 МГц. Для увеличения скорости применяются логические цепи с ферритовыми сердечниками, основанные на принципе совпадения.

Похожие работы

Магнитные материалы

Скачать

21773

0

0

... и др. элементами; порошковые материалы, из которых постоянные магниты, получают прессованием порошков с последующей термообработкой; прочие магнитные материалы (например, сплавы на основе редкоземельных металлов, устаревшие материалы, пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты и др.). По применению магнитотвердые материалы подразделяют на материалы, применяемые для изготовления ...

Цветные металлы: классификация, области применения. Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы

Скачать

51680

2

2

... по миру. Если в 1900 г. в год получали около 8 тысяч тонн легкого металла, то через сто лет объем его производства достиг 24 миллионов тонн. 2.         Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы   2.1 Классификация электротехнических материалов Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и ...

Магнитотвердые материалы

Скачать

26294

1

3

... 3.1. Общие сведения. К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой петлей гистерезиса и большой коэрцитивной силой Нс (рис. 1.3, г). Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вс, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство wмах. Магнитная проницаемость m магнитотвердых материалов ...

Классификация электротехнических материалов

Скачать

20300

0

0

... . К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей. Можно отметить, что диэлектрическая ...