логический элемент для релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем

Формула изобретения

ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ АВТОМАТИКИ ЭНЕРГОСИСТЕМ, содержащий первую и вторую группы резисторов, первые выводы которых соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя, выход которого через резистор обратной связи соединен с его инвертирующим входом, неинвертирующий вход операционного усилителя через дополнительный резистор соединен с общей шиной, первый вывод постоянного резистора сдвига уровня входного сигнала соединен с первой шиной задания опорного напряжения, балластный резистор, первый и второй диоды, отличающийся тем, что, с целью повышения контролепригодности за счет смещения уровня выходного сигнала исправного логического элемента в область с минимальной плотностью вероятности нахождения сигнала неисправного логического элемента, в него введены симметричный стабилитрон и переменный резистор сдвига уровня входного сигнала, выход операционного усилителя соединен с первой контрольной выходной шиной и через балластный резистор с анодом первого диода, катодом второго диода, первым выводом симметричного стабилитрона и основной выходной шиной, второй вывод симметричного стабилитрона соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и через переменный резистор сдвига уровня входного сигнала с второй шиной задания опорного напряжения второй вывод постоянного резистора сдвига уровня входного сигнала соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, вторые выводы резисторов первой и второй групп резисторов соединены с соответствующими входными шинами логического элемента, катод первого диода и анод второго диода соединены с соответствующими второй и третьей контрольными выходными шинами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для применения в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем, выполненных на базе интегральных микросхем и полупроводниковых элементов.

Разработанные в последние годы на полупроводниковой и микроэлектронной базе устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем, обладая высоким техническим совершенством (быстродействием, чувствительностью, селективностью), отличаются довольной высокой сложностью и, следовательно, низкой надежностью. По статистическим данным такие устройства отказывают в 10-20 раз чаще, чем традиционные электромеханические реле. Ущерб от снижения надежности разрабатываемых устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем может скомпенсировать, а в некоторых случаях превысить положительный эффект от повышения их технического совершенства.

С целью повышения надежности должны быть использованы автоматические устройства для контроля их исправности. Следует также разрабатывать такие типовые элементы и блоки защиты и автоматики энергосистем, которые обладали бы повышенной контролепригодностью в первую очередь в основном по продолжительности режима работы режима дежурства.

Известен логический элемент на полевых транзисторах с каналами одного типа проводимости, содержащий переключающий и нагрузочный транзисторы, которые включены последовательно между шиной питания и общей шиной, дополнительный транзистор, сток которого подключен к шине питания, а затвор соединен с его истоком и с затвором нагрузочного транзистора.

Недостатком описанного логического элемента является его низкая контролепригодность в режиме дежурства, когда на его выходе длительное время присутствует один и тот же логический сигнал. Именно так и бывает в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем.

Величина сигнала на выходе описанного логического элемента имеет лишь два предельных значения 0 и 1 и зависит от состояния выходного транзистора, который может быть полностью открыт (состояние 0) или полностью закрыт (состояние 1). Если, например, в исходном исправном состоянии в режиме дежурства выходной транзистор был полностью открыт, то при целом ряде повреждений в схеме описанного логического элемента он так и остается открытым (например при повреждении типа короткого замыкания в самом транзисторе). При этом значение выходного сигнала элемента не изменится и быстро выявить его повреждение в режиме дежурства невозможно. То же самое происходит, если исходное состояние выходного транзистора было закрытым.

Выявить повреждения в описанных случаях можно посредством периодических тестовых проверок, но по техническим причинам производить такие проверки в релейной защите и противоаварийной автоматике энергосистем чаще одного-двух раз в месяц нецелесообразно. При такой частоте периодических тестовых проверок появляется значительная вероятность того, что возникшее повреждение не будет выявлено к моменту прихода заявки на функционирование устройства защиты или противоаварийной автоматики, что приведет к отказу в его функционировании и к появлению ущерба для энергетической системы.

Известен логический элемент, содержащий переключающиеся транзисторы, эмиттеры которых соединены с эмиттером опорного транзистора и через источник тока с общей шиной, базы переключающих транзисторов соединены с входами элемента, база опорного транзистора соединена с первой шиной опорного напряжения, и два эмиттерных повторителя, коллекторы которых соединены с шиной питания, базы через соответственно первый и второй нагрузочные резисторы подключены к шине питания, а эмиттеры соответственно к первому и второму выходам элемента, два согласующих транзистора, базы которых соединены с второй шиной опорного напряжения, коллекторы соответственно с базами первого и второго эмиттерных повторителей, а эмиттеры соответственно с коллекторами переключающих и коллекторами опорного транзисторов.

Недостатком описанного логического элемента, как и предыдущего, является его низкая контролепригодность в режиме дежурства, когда на его выходе длительное время присутствует один и тот же логический сигнал.

Известен также универсальный логический элемент на n входов, являющийся прототипом, содержащий программированную диодную логическую матрицу, входы которой соединены с входами логического элемента, содержащую входные и выходные шины, соединенные в местах перекрещивания с помощью диодов, причем выходные шины логической матрицы объединены в две группы, в каждой из которых выходные шины соединены через резисторы соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального операционного усилителя, выход которого соединен через резистор с инвертирующим входом и с выходной шиной, неинвертирующий вход усилителя соединен через резистор с общей шиной матрицы.

Недостатком прототипа, как и ранее описанных логических элементов, является его низкая контролепригодность в режиме дежурства, когда на его выходе длительное время присутствует один и тот же логический сигнал. Причина этого та же, что для ранее описанных логических элементов. Сигнал на выходе операционного усилителя, служащего выходом прототипа, двоичный, т.е. может приобретать одно из двух значений. При этом многие повреждения в схеме прототипа не приводят к изменению сигнала на выходе операционного усилителя и, следовательно, не могут быть выявлены в режиме дежурства. К таким повреждениям относятся многие повреждения входящих в состав программируемой матрицы диодов, резисторов и тому подобные. Например, в режиме дежурства не могут быть выявлены короткие замыкания диодов, обтекающихся током, короткие замыкания резисторов того плеча, которое препятствует изменению выходного сигнала в режиме дежурства, обрывы диодов программируемой матрицы, не обтекаемых током в режиме дежурства. Если в режиме дежурства входящий в схему операционный усилитель находится в одном из двух предельных состояний, то в этом режиме невозможно выявить также примерно половину отказов операционного усилителя.

Выявить повреждения в описанных случаях можно посредством периодических тестовых проверок, но по технологическим причинам производить такие проверки в релейной защите и автоматике энергосистем чаще одно-двух раз в месяц нецелесообразно. Пpи такой частоте периодических тестовых проверок появляется значительная вероятность того, что возникшее повреждение не будет выявлено к моменту прихода заявки на функционирование устройства защиты или противоаварийной автоматики, что приведет к отказу в его функционировании и к появлению ущерба для энергетической системы.

Цель изобретения увеличение контролепригодности путем смещения параметра сигнала на контрольной точке в режиме дежурства исправного логического элемента в область с минимальной плотностью вероятности сигнала, соответствующего поврежденному логическому элементу.

Цель достигается тем, что в известный логический элемент, содержащий операционный усилитель с присоединенными к его инвертирующему и неинвертирующему входам входными резисторами, резистором отрицательной обратной связи, включенным между выходом и инвертирующим входом, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен через дополнительный резистор с общим проводом, постоянный резистор сдвига, один вывод которого соединен с шиной источника опорного сигнала, балластный резистор и два диода, дополнительно введены регулируемый резистор сдвига и симметричный стабилитрон, причем симметричный стабилитрон соединяет основной выход логического элемента с инвертирующим входом операционного усилителя, выход операционного усилителя служит контрольным выходом логического элемента, второй вывод постоянного резистора сдвига присоединен к неинвертирующему входу операционного усилителя, один вывод регулируемого резистора сдвига соединен с шиной соответствующего источника опорного сигнала, а второй с инвертирующим входом операционного усилителя, балластный резистор включен между контрольным и основным выходами логического элемента, объединенные разноименные выводы двух диодов присоединены к основному выходу логического элемента, их вторые выводы служат дополнительными выходами логического элемента, а свободные выводы входных резисторов служат входами логического элемента.

В предлагаемом решении все признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект.

При этом обеспечивается сверхсуммарный технический эффект, обусловленный совокупностью указанных признаков, заключающийся в том, что в случае повреждения предлагаемого логического элемента сигнал на его контрольном выходе с большой вероятностью изменится от того первоначального значения, которое соответствовало минимальной плотности вероятности контрольного сигнала, соответствующего поврежденному логическому элементу, в область значений с большей плотностью вероятности такого сигнала, в результате чего повреждение будет выявлено. Это повышает контролепригодность предлагаемого логического элемента.

Таким образом, предлагаемое изобретение удовлетворяет критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого логического элемента для релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем; на фиг. 2 показана характеристика плотности вероятности сигнала на контрольном выходе поврежденного операционного усилителя.

Предлагаемый логический элемент для релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем содержит операционный усилитель 1, инвертирующий вход которого через входные резисторы 2 соединен с первой группой входов 3 логического элемента. Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 через входные резисторы 4 соединен с второй группой входов 5 логического элемента. Резистор 6 отрицательной обратной связи включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 1. Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 через дополнительный резистор 7 соединен с общим проводом, а через постоянный резистор 8 сдвига соединен с источником опорного сигнала.

Регулируемый резистор 9 сдвига соединяет шину соответствующего источника опорного сигнала с инвертирующим входом операционного усилителя 1. Симметричный стабилитрон 10 соединяет основной выход 11 логического элемента с инвертирующим входом операционного усилителя 1. Выход операционного усилителя 1 служит контрольным выходом 12 логического элемента. Балластный резистор 13 включен между контрольным 12 и основным 11 выходами логического элемента. Объединенные разноименные выводы диодов 14 и 15 присоединены к основному выходу 11 логического элемента, а их свободные выводы 16 и 17 служат дополнительными выходами логического элемента.

Предлагаемый логический элемент для релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем работает следующим образом.

Одним из наиболее важных свойств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем является надежность. Статистические данные показывают, что надежность современных устройств защиты и автоматики, обладающих высоким техническим совершенством и выполненных на полупроводниковых и микросхемных элементах, гораздо ниже, чем у традиционных электромеханических реле. Для повышения надежности используются различные диагностические устройства и блоки, измеряющие параметры сигналов на контрольных точках устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики, и по отклонению этих параметров от нормальных значений делающие вывод относительно исправного или неисправного состояния контролируемого устройства. В качестве контрольных точек обычно выбираются выходы операционных усилителей, выводы транзисторов, реле и других элементов.

Операционный усилитель относится к числу наиболее распространенных элементов современных полупроводниковых схем релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем. Представляет большой интерес вид распределения сигнала на его выходе при повреждениях операционного усилителя. Анализ схем многих отечественных и зарубежных операционных усилителей, обладающих высоким коэффициентом усиления, достигающим сотен тысяч раз и более, показал, что при подавляющем числе повреждений сигнал на их выходе стремится к максимально возможному или минимально возможному значению, т.е. к сигналу насыщенного состояния усилителя. Вероятность того, что при повреждении операционного усилителя самого по себе или работающего в режиме линейного усилителя выходной сигнал значительно отклонится от предельных значений, чрезвычайно мала.

На фиг.2 показана построенная в соответствии с изложенным характеристика f(q) плотности вероятности выходного сигнала поврежденного операционного усилителя. На этой характеристике удобно рассмотреть принцип выбора рабочей точки усилителя, характеризующейся рабочим напряжением U_раб на выходе исправного операционного усилителя в режиме дежурства. Если задаться допустимым отклонением контрольного сигнала, равным U, т.е. принять ширину зоны нечувствительности при диагностике, равной 2 U, то вероятность невыявления повреждения операционного усилителя пропорциональна заштрихованной на фиг. 2 площади. Вероятность же того, что неисправность будет выявлена, равна

P_в= 1- (1) Т.е. вероятность того, то неисправность будет выявлена, пропорциональна той площади фигуры, лежащей под кривой плотности вероятности f(q) и ограниченной осью координат напряжений U, которая находится за пределами зоны нечувствительности диагностического устройства. Отсюда ясно, что для повышения контролепригодности, мерой которой в рассматриваемом случае можно считать вероятность Р_в, необходимо уменьшать ширину зоны нечувствительности 2 U и разместить рабочую точку U_раб на таком участке характеристики f(q), где плотность вероятности f(q) сигнала, соответствующего поврежденному операционному усилителю (и всему логическому элементу), минимальна.

Из описанного ясно, что в режиме дежурства исправного устройства защиты (или противоаварийной автоматики энергосистем), в состав которого входит предлагаемый логический элемент, сигнал на выходе операционного усилителя не должен быть предельным, т.е. операционный усилитель не должен быть насыщен. Выберем, например, в качестве U_раб напряжение, равное 0,73 от напряжения питания, т.е. при напряжении питания 15В U _раб 11В. Напряжение стабилизации стабилитрона 10 примем равным, например, 7В. Будем считать, что логическому сигналу "0" соответствует потенциал -7В на выходе 11 предлагаемого логического элемента, а логическому сигналу "1" соответствует потенциал +7В на выходе 11 предлагаемого логического элемента.

Рассмотрим работу предлагаемого логического элемента при подаче сигналов только на входы 3. При этом входы 5 считаем незадействованными, а резистор 8 отсутствующим (его цепь разомкнута). Предположим, что задействован только один из входов 3 и обозначим поступающий на него сигнал символом А. Выходной сигнал предлагаемого логического элемента (сигнал на выходе 11) обозначим символом Х. Цепь резистора 9 будем считать разомкнутой. Отношение сопротивления резистора 6 к сопротивлению резистора 2 примем равным 11/7. Тогда при А 0, т.е. при наличии на одном из входов 3 потенциала -7В, потенциал выхода операционного усилителя 1 равен +11В, стабилитрон 10 открыт и на выходе 11 предлагаемого логического элемента присутствует потенциал +7В, остальное напряжение (4В) падает на балластном резисторе 13.

При А 1, т.е. при наличии на одном из входов 3 потенциала +7В, потенциал выхода операционного усилителя 1 равен -11В, стабилитрон 10 открыт и на выходе 11 предлагаемого логического элемента присутствует потенциал -7В.

Таким образом, в рассмотренных условиях предлагаемый логический элемент реализует логическую операцию инверсии Х

Предположим что необходимо реализовать логическую функцию X ()= , причем известно, что в режиме дежурства А 0 и В 0.

Для схемы фиг. 1 в предложении, что стабилитрон 10 закрыт, можно записать:

U_вых1= + R₆, (2) где U_вых1 напряжение на выходе операционного усилителя 1 в ненасыщенном состоянии;

U_i напряжение на i-м задействованном входе группы 3;

R₂, R₆, R₉ сопротивления соответствующих резисторов;

U_оп1 напряжение первого источника опорного напряжения;

1 i n количество задействованных входов группы 3.

Учтем, что в режиме дежурства U₁ U₂₌ -7В, сопротивления всех резисторов 2 одинаковы, а на выходе операционного усилителя для реализации указанной логической функции при А В 0 необходимо иметь потенциал 11В, получаем из выражения (2) следующее условие:

-27 + U_ОП1 11, (3)

Оставим по-прежнему R₆/R₂ 11/7 и примем U_оп1 +15В, тогда получим, что для реализации выражения (3) требуется, чтобы

Таким образом, при А В0 Х 1.

Если А или В становится равным единице, то входные сигналы U₁ и U₂уравновешивают друг друга, и напряжение на выходе операционного усилителя 1 определяется током чрез резистор 9 от источника опорного напряжения U_оп1 и U_вых1 -11В, а на выходе 11 напряжение равно -7В, т.е. Х 0.

Если А и В одновременно становятся равными единице, то операционный усилитель 1 приближается к насыщению, сигнал на его выходе стремится к -15В, но тoк по цепи отрытого стабилитрона 10 несколько снижает величину выходного сигнала. Сигнал на выходе 11 равен -7В, т.е. Х 0.

Из описанного ясно, что при принятых условиях предлагаемый логический элемент действительно реализует логическую функцию X ()=

Прежде, чем продолжить рассмотрение примеров реализации других логических функций, рассмотрим показатели контролепригодности предлагаемого логического элемента применительно к последнему из рассмотренных случаев.

Контроль исправности предлагаемого логического элемента целесообразно вести в режиме дежурства, когда его состояние не изменяется во времени. При этом в качестве контролируемых параметров можно использовать величины напряжений на контрольном выходе 12 и основном выходе 11. Если будут использованы выходы 16 или 17 (о целесообразности их использования будет сказано ниже), то дополнительно можно контролировать величину напряжения на этих выходах.

Поскольку U_раб 11В, то с учетом выражения (1) и графика на фиг.2 можно сделать вывод, что почти 100% повреждений операционного усилителя 1 приведут к существенному изменению сигнала на выходе 12 предлагаемого логического элемента. Действительно, если приближенно считать, что при повреждении операционного усилителя напряжение на его выходе с одинаковой вероятностью может стать равным +15В или -15В, то соответствующее отклонение напряжения на выходе 12 от нормального значения (11В) равно соответственно 4 и 26В. Если порог нечувствительности диагностики меньше 4В, то все указанные повреждения операционного усилителя будут выявлены. При обрыве любого из двух используемых входных резисторов 2 сигнал на выходе операционного усилителя 1 становится равным в соответствии с (2), (3)

U_вых1= --7 + 15 = 0 т.е. изменение потенциала на выходе 12 составит 11В. Следовательно, и эти повреждения также будут выявлены.

Пpи коротком замыкании любого из резисторов 2 изменение напряжения на выходе 12 составит около 4В, т.е. и такие повреждения выявляются. Аналогично выявляются повреждения резисторов 6 и 9.

При выходе из строя стабилитрона 10 или балластного резистора 13 также изменяется напряжение на выходах 12 и 11 предлагаемого логического элемента. При контроле напряжений на выходах 16 и 17 выявляются такие повреждения диодов 14, 15, которые приводят к изменению напряжения на соответствующих выходах в режиме дежурства, и т.д.

Таким образом, применительно к рассматриваемому случаю реализации логической функции X () предлагаемый логический элемент обладает свойством существенно изменять параметры сигналов на контрольных точках практически при любом повреждении задействованного в работе схем комплектующего элемента.

Такое изменение параметров сигналов на контрольных точках (выходах 12, 11, 16, 17) позволяет обнаружить в режиме дежурства практически любое повреждение входящих в состав предлагаемого логического элемента комплектующих элементов и связей. Приспособленность элемента к контролю исправности носит название контролепригодности. Применительно к рассмотренному случаю можно сказать, что контролепригодность предлагаемого логического элемента в режиме дежурства приближается к 100%

Использовать полученное свойство высокой контролепригодности предлагаемого логического элемента, входящего в состав устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем, позволяют, например, устройства для контроля исправности релейной защиты. При наличии в составе комплекта релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем или других подобных диагностических устройств или блоков высокая контролепригодность в режиме дежурства элементов и блоков, входящих в состав основной схемы устройства защиты или автоматики (например, предлагаемого логического элемента), позволяет обеспечить большую полноту проверки исправности и, вместе с этим, высокую надежность защиты и автоматики.

Проведенный анализ показал, что, кроме описанных выше логических функций, предлагаемый логический элемент при использовании только входов группы 3 позволяет, например, реализовать следующие логические функции:

X ; X (); X ; X ( ). (4)

Для реализации такого рода функций, зная значения входных логических сигналов в режиме дежурства, необходимо по аналогии с описанным выше, используя выражение (2), так выбрать соотношения величины R₆/R₂, R₆/R₉ и знак используемого опорного напряжения U_оп1, чтобы в режиме дежурства была обеспечена высокая, приближающаяся к 100% контролепригодность предлагаемого логического элемента, а в режимах тревоги реализовывалась соответствующая логическая функция. Поскольку контроль исправности ведется в режиме дежурства, в режимах тревоги высокая контролепригодность не требуется, поэтому операционный усилитель может, например, насыщаться.

При использовании одновременно входов группы 3 (сигналы А, В, С) и входов группы 5 (сигналы Е, К) возможна реализация, например, следующих логических функций:

== (5) и других аналогичных логических функций.

При одновременном использовании в предлагаемом логическом элементе входов 3 и входов 5 операционный усилитель 1 работает в режиме дифференциального усилителя и выражение (2) уже непригодно для описания его работы. В этом случае можно использовать методику расчета, в соответствии с которой для случая n задействованных входов группы 3, одного задействованного входа группы 5 и отсутствия резистора 8 можно записать:

U_вых1= U₅ 1+ U_3i- U_оп1 (6) где U_вых1 напряжение на выходе операционного усилителя 1 (в ненасыщенном состоянии и в предположении того, что стабилитрон 10 закрыт);

R₄, R₇, R₆, R₂, R₉ величина сопротивлений соответствующих резисторов;

U₅ напряжение на задействованном входе 5;

R_2эк эквивалентное сопротивление относительно общего провода резисторов, включенных между инвертирующим входом операционного усилителя 1 и общим проводом (резисторов 2 и 9 с учетом внутреннего сопротивления источника U_оп1);

U_3i напряжение на i-м входе группы 3;

U_оп1 напряжение первого использованного источника опорного напряжения (+15В или -15В).

Пои нескольких задействованных входах 5 и наличии резистора 8 расчетное выражение (6) можно использовать, если под U₅ и R₄ понимать соответственно эквивалентное напряжение U_5эк и внутреннее сопротивление R_4эк источника, объединяющего в себе источники сигналов, подключенные к входам 5 вместе с соответствующими резисторами 4, и второй источник опорного напряжения U_оп2 с его резистором 8. При этом могут быть использованы известные расчетные выражения:

U_5ЭК= R_4ЭК= (7) где Е_к электродвижущая сила K-й ветви;

Y_к 1/R_к проводимость K-й ветви;

U_5эк, R_4эк эквивалентные величины напряжения и сопротивления, которые следует подставлять в (6) вместо U₅ и R₄.

В качестве примера рассмотрим, как можно на предлагаемом логическом элементе реализовать логическую функцию:

X ( )EK. (8) Известно, что в режиме дежурства А В 1; С=О; Е К 1, т.е. U_A U_B= U_E U_K 7B, U_C -7В. Подставив исходные значения логических переменных в (8), получаем, что в режиме дежурства Х 0, следовательно, U_вых1 должно равняться -11В.

В соответствии с ранее описанным, на входы 3 будем заводить те логические переменные, которые входят в реализуемую функцию (8) в виде инверсий (А, В, С), а на входы 5 те логические пеpеменные, которые инверсий не имеют (Е, К).

При реализации используем источник питания U_оп1 +15В, при этом учтем, что внутреннее сопротивление источника питания и источников сигнала пренебрежимо мало. Источник U_оп2 не используем (R₈ ). Тогда в режиме дежурства

U_вых1= U_5ЭК 1 + U_3i- U_ОП1 (9) где U_3i напряжение на i-м входе группы 3.

В соответствии с (7)

U_5ЭК= 7 (B); R_4ЭК (10)

R_2ЭК= (11)

Заданная функция реализуется при одновременном равенстве единице двух инверсий сигналов на входах 3 и равенстве единице двух сигналов на входах 5. Если исчезнет один из сигналов на входах 5 и появится один дополнительный на входах 3, то Х 0, то есть чувствительность предлагаемого логического элемента по сигналу входа 5 должна быть больше, чем по входу 3.

Произведем соответствующие расчеты.

Если сигнал на входе 3 изменится на U_вх, то на выходе операционного усилителя 1 он изменится на:

U= U_вх. (12)

Если сигнал на входе 5 изменится на U_вх, то величину U₅изменения эквивалентного сигнала U_5эк можно определить из следующего выражения:

U_5ном+ U₅= U_вх+ (13) где U_вх, U_5ном нормальные (исходные) значения сигналов на входах 5 и эквивалентного U_5эк соответственно;

U_вх, U₅ изменение соответствующих сигналов.

То есть U₅= (14)

C учетом (14) из (9) легко получаем:

U= U₅ 1+ 1+ (15)

Исходя из отмеченного выше требования разной чувствительности предлагаемого логического элемента по вxодам 3 и 5, для реализации заданной функции можно записать:

U_вых1^" K U_вых^" (16)

Примем К 2, тогда из (12), (15) и (16) получаем после простых преобразований:

1+ 4 (17)

Условие (17) назовем условием краткой чувствительности.

Подставив (17) в (9), получаем:

U_вых1= U_5ЭК4 U_3i- U_оп1 (18) Тогда, принимая как и в предыдущем случае ,получаем для исходного режима дежурства:

U_вых1= U_5ЭК4 (27-7)- 15 11 (19) или, с учетом (10),

(20)

Еще одно соотношение сопротивлений резисторов получаем из (17)

1 + 4 (21)

Подставив в (21) отношения и после преобразований получаем:

(22)

Полученные три соотношения между соответствующими сопротивлениями входящих в схему фиг.1 резисторов полностью определяют режимы работы предлагаемого логического элемента, реализующего логическую функцию (8).

Подставляя полученные соотношения сопротивлений в (9), после преобразований получаем:

U_вых1= U_5ЭК U_3i- 44. (23)

Выражение (23) описывает поведение предлагаемого логического элемента при реализации им логической функции (8) без учета действия стабилитрона 10 и насыщения операционного усилителя 1.

Подставляя в (23) реальные значения сигналов А, В, С, Е, К и учитывая ограничивающее действие стабилитрона 10, легко убедиться, что предлагаемый логический элемент действительно реализует функцию (8).

Аналогичным образом могут быть получены отношения сопротивлений соответствующих входящих в схему фиг.1 резисторов для реализации той же функции (8) при других значениях входных логических сигналов в исходном режиме дежурства, а также других логических функций типа перечисленных выше. При этом должны выполняться два условия: логический элемент должен реализовывать требующуюся логическую функцию; в режиме дежурства контролепригодность логического элемента должна быть максимально высокой.

При реализации сложных логических функций с большим количеством логических переменных может потребоваться несколько предлагаемых логических элементов. При этом соответствующие входы последующих элементов соединяются с выходами 11 соответствующих предыдущих элементов. Если последовательно оказываются включенными несколько предлагаемых логических элементов, то появляющиеся на их выходах погрешности, возникающие, например, вследствие отклонения от номинальных значений напряжений питания, могут суммироваться и в последующих элементах достигать значительных величин, что может исказить работу схемы и затруднить контроль ее исправности. Для того, чтобы избежать такого суммирования погрешностей, целесообразно в нескольких местах таких длинных последовательных цепей, составленных из предлагаемых логических элементов, в качестве выходов последних использовать не выходы 11, а выходы 16 или 17. При этом используют тот из выходов 16 или 17, диод 14 или 15 которого в режиме дежурства закрыт. При расчете параметров последующих элементов учитывается, что в режиме дежурства потенциал на выходе такого логического элемента равен нулю.

Исходным пунктом является заданная логическая функция. Далее, например, из (4), (5) выбираются "базовые" логические функции, на основе которых предполагается реализовать заданную логическую функцию.

Реализация заданной логической функции на основе предлагаемого логического элемента осуществляется так, как это было описано выше. При необходимости используется несколько предлагаемых логических элементов, реализующих одинаковые или разные логические функции. Затем производится проверка контролепригордности полученного схемного решения. Контролепригодность считается удовлетворительной, если в режиме дежурства на выходе операционного усилителя каждого логического элемента имеется напряжение, отличное от напряжения насыщения (например, +11В или -11В, как в рассмотренных выше примерах). В режиме тревоги величина сигнала на контрольном выходе 12 может приближаться к предельной. При этом важна лишь величина сигнала на основном выходе 11 предлагаемого логического элемента (или выходах 16, 17, если они используются), сигнал на котором должен определяться реализуемой логической функцией и значениями входных логических сигналов.

Если полученное решение удовлетворяет требованию высокой контролепригодности, то оно запоминается и производится попытка новой реализации заданной логической функции, но уже на других "базовых" функциях из (4), (5). Из полученных вариантов решения выбирается такой, для реализации которого потребуется минимальное количество предлагаемых логических элементов.

Таким образом, предлагаемый логический элемент выполняет те же функции, что и прототип реализует заданную логическую функцию. Однако в прототипе многие повреждения в его схеме не приводят к изменению сигнала на выходе операционного усилителя (на контрольной точке) и, следовательно, не могут быть выявлены в режиме дежурства. К таким повреждениям относятся многие повреждения входящих в состав программируемой матрицы диодов, резисторов и тому подобные. Например, в режиме дежурства не могут быть выявлены короткие замыкания диодов, обтекающихся током, короткие замыкания резисторов того плеча, которое препятствует изменению выходного сигнала в режиме дежурства, обрывы диодов программируемой матрицы, не обтекаемых током в режиме дежурства, и так далее. Если в режиме дежурства входящий в схему операционный усилитель находится в одном из двух предельных состояний (это вполне вероятный режим настройки прототипа), то в этом режиме невозможно выявить также примерно половину отказов операционного усилителя.

Таким образом, около 50% всех возможных повреждений комплектующих элементов и связей в прототипе в режиме дежурства выявить было невозможно.

Эти повреждения можно выявить посредством периодических тестовых проверок, но по технологическим причинам производить такие проверки в релейной защите и автоматике энергосистем чаще одного-двух раз в месяц нецелесообразно. А при такой частоте периодических тестовых проверок появляется значительная вероятность того, что возникшее повреждение не будет выявлено к моменту прихода заявки на функционирование устройства защиты или противоаварийной автоматики, что приведет к отказу в его функционировании и к появлению ущерба для энергетической системы.

Предлагаемый логический элемент в отличие от прототипа обладает практически 100%-ной контролепригодностью в режиме дежурства. В нем при практически любом повреждении комплектующего элемента или связи существенно изменяется сигнал хотя бы на одной контрольной точке (например, на выходах 11, 12, 16, 17). Это объясняется выбором рабочей точки операционного усилителя на участке с минимальной плотностью вероятности сигнала, соответствующего поврежденному операционному усилителю, а также тем, что в режиме дежурства обтекаются существенным током практически все комплектующие элементы и связи предлагаемого логического элемента и при повреждении практически любого комплектующего элемента или связи изменяется баланс сигналов на операционном усилителе.

Контролируя величину сигналов на контрольных точках предлагаемого логического элемента (выходах 11, 12, 16, 17), можно, таким образом, формировать сигнал о его неисправности в том случае, если сигнал хотя бы на одной из этих контрольных точек выходит за допустимые границы на время, превышающее время тревоги. Таким образом, высокая контролепригодность предлагаемого логического элемента (примерно вдвое более высокая, чем у прототипа) позволяет обеспечить большую полноту проверки исправности и вместе с этим более высокую надежность релейной защиты и автоматики энергосистем, в состав которых входит предлагаемый логический элемент.