羅 歡，李春樹，李佳寧，賈大勇，姜文超

（寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏銀川 750021）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,現(xiàn)代社會(huì)對電力供應(yīng)安全可靠性的要求越來越高,電力安全比以往任何一個(gè)時(shí)期都顯得更加重要[1]。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)的扇葉等器件容易使靠近電機(jī)的工作人員被刮傷甚至卷入死亡[2]，而目前一些工廠車間在電機(jī)的控制上仍然采用一鍵式操作，即啟動(dòng)電機(jī)之后，只有關(guān)閉開關(guān)，才能使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。針對這種情況，本文設(shè)計(jì)一種由74LS00 集成塊構(gòu)成的基本RS 觸發(fā)器電路，通過消除RS 觸發(fā)器的不確定狀態(tài)，利用觸發(fā)器的置“0”、置“1”和保持功能來解決電機(jī)安全問題。

1 電路對比分析

1.1 無RS 觸發(fā)器安全保護(hù)電路

無RS 觸發(fā)器安全保護(hù)電路如圖1 所示。由圖1可知，繼電器KA 的常閉觸點(diǎn)連接電機(jī)M，常開觸點(diǎn)連接電機(jī)停電報(bào)警裝置SP。當(dāng)人靠近M 工作區(qū)域時(shí)，光敏電阻R1受到的光照減少，阻值增加；三極管T1的基極電位降低，集電極電位升高，因此三極管T2的基極電位升高，集電極電位降低，在KA 兩端產(chǎn)生電壓差，其線圈得電，常開觸點(diǎn)吸合，M 斷電、停止運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管VD 及SP 得電，分別發(fā)出燈光示警和聲音示警。當(dāng)人離開M 運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，R1受到的光照增加，阻值減?。籘1的基極電位升高，集電極電位降低，因此T2基極電位也降低，集電極電位升高，KA 兩端沒有電壓差，其線圈掉電，返回常閉觸點(diǎn)，M 正常運(yùn)轉(zhuǎn)；SP 停止，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自動(dòng)控制[3]。

圖1 無RS 觸發(fā)器安全保護(hù)電路圖

1.2 新型RS 觸發(fā)器安全保護(hù)電路

新型RS 觸發(fā)器安全保護(hù)電路如圖2 所示。圖2與圖1 的主要區(qū)別：在T1與T2之間增加了1 個(gè)由74LS00 構(gòu)成的基本RS 觸發(fā)器，在其5 號端子接入高/低電平導(dǎo)線，通過按鈕開關(guān)K2轉(zhuǎn)換高、低電位；利用基本RS 觸發(fā)器的置“0”、置“1”和保持功能，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的手動(dòng)控制，同時(shí)將基本RS 觸發(fā)器2 號和5 號端子通過一個(gè)單刀雙擲開關(guān)K1相連[4]。

圖2 新型RS 觸發(fā)器安全保護(hù)電路圖

1.2.1 手動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn) 將圖2 中的K1斷開。當(dāng)人靠近M 工作區(qū)域時(shí)，R1受到的光照減少，阻值增加，T1的基極電位降低，集電極電位升高，在非門的作用下，1 號端變?yōu)榈碗娖剑? 號端為高電平，所以基本RS 觸發(fā)器處于置“1”態(tài)；T1基極為高電位，集電極電位降低，所以KA 兩端產(chǎn)生電壓差，其線圈得電，常開觸點(diǎn)吸合，M 斷電、停止運(yùn)轉(zhuǎn)；VD 和SP 得電，分別發(fā)出燈光示警與聲音示警。當(dāng)人離開M 工作區(qū)域時(shí)，R1受到的光照增加，阻值減小，T1的基極電位升高，集電極電位降低，1 號端變?yōu)楦唠娖剑? 號端為高電平，所以基本RS 觸發(fā)器處于保持態(tài)，即保持之前的“1”態(tài)；T1基極為高電位，M 仍然停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，如果K2閉合，5 號端變?yōu)榈碗娢唬綬S 觸發(fā)器處于置“0”態(tài)；T2基極為低電位，集電極電位升高，所以KA 兩端沒有產(chǎn)生電壓差，其線圈掉電，返回常閉觸點(diǎn)，M 正常運(yùn)轉(zhuǎn)；SP 停止警示。當(dāng)K2斷開時(shí)，基本RS 觸發(fā)器又處于保持態(tài)，保持M 的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。綜上可知，圖2 電路能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的手動(dòng)控制。

1.2.2 自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn) 將圖2 中的K1閉合，此時(shí)基本RS 觸發(fā)器失去了觸發(fā)功能，相當(dāng)于T1的集電極與T2的基極通過2 個(gè)非門相連。當(dāng)人靠近M 工作區(qū)域時(shí)，R1受到的光照減少，阻值增加，T1的基極電位降低，集電極電位升高，經(jīng)過2 個(gè)非門后，T2的基極電位升高，集電極電位降低，所以KA 兩端產(chǎn)生電壓差，其線圈得電，常開觸點(diǎn)吸合，M 斷電、停止運(yùn)轉(zhuǎn)；VD 和SP 得電，分別發(fā)出燈光示警與聲音示警。當(dāng)人離開M 工作區(qū)域時(shí)，R1受到的光照增加，阻值降低，T1的基極電位升高，集電極電位降低，T2基極電位降低，集電極電位升高，KA 兩端沒有電壓差，其線圈掉電，返回常閉觸點(diǎn)，M 正常運(yùn)轉(zhuǎn)；SP 停止警示。以上實(shí)現(xiàn)的是電機(jī)的自動(dòng)控制。

由上述2 個(gè)方案的分析可知，與圖1 電路相比，圖2 電路加入基本RS 觸發(fā)器后，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與手動(dòng)控制，而且在自動(dòng)控制方面其可靠性更高，電路整體結(jié)構(gòu)更靈活，因此本文采用新型RS觸發(fā)器安全保護(hù)電路。

1.3 應(yīng)用場景及參數(shù)

圖2 中主要元器件及其參數(shù)值如表1 所示。

當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)域安全保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，R1阻值由原來的2.5 kΩ 變?yōu)?8.4 kΩ（實(shí)驗(yàn)測得），此時(shí)R1端電壓U1為4.4 V（實(shí)驗(yàn)測得）；R2端電壓U2與UBE相等，為0.7 V（已知）；R2阻值為20 kΩ，R3阻值為1.5 kΩ（表1）；T1的電流放大倍數(shù)β 為100（已知）。計(jì)算公式為

表1 主要元器件及其參數(shù)值

由計(jì)算可得：流過R1的電流I1為0.064 mA;流過R2的電流I2為0.035 mA；T1的基極電流IB為0.029 mA，集電極電流IC為2.933 mA；R3的端電壓U3為4.4 V；UD為5.1 V，與穩(wěn)壓二極管D 通過實(shí)驗(yàn)測得的穩(wěn)壓值相吻合（表1）。隨后，新型RS 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)置“1”功能，T2的集電極電流使KA 的常開觸點(diǎn)吸合，常閉觸點(diǎn)斷開，M 停止運(yùn)轉(zhuǎn)，VD 和SP 示警。

綜上可知，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果相吻合（誤差在合理范圍內(nèi)），因此能夠合理解釋此裝置工作時(shí)，各個(gè)器件的狀態(tài)變化以及電流、電壓值的變化。圖3、圖4 分別為電機(jī)正常運(yùn)行和安全保護(hù)裝置啟動(dòng)的場景。

圖3 電機(jī)正常運(yùn)行

圖4 安全保護(hù)裝置啟動(dòng)

2 RS 觸發(fā)器的改進(jìn)

觸發(fā)器有多種分類方式，其中按邏輯功能可分為基本RS 觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、維持阻塞型觸發(fā)器、從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器等[5]。觸發(fā)器的觸發(fā)方式也有很多種，其根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生改變。本文主要說明基本電平控制的觸發(fā)器。對于此類觸發(fā)器，通常根據(jù)所給的高、低電平來改變其輸入信號，輸入信號直接控制觸發(fā)方式，進(jìn)而控制觸發(fā)器的工作狀態(tài)。

基本RS 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。正常情況下，觸發(fā)器的2 個(gè)輸出端Q 和為相反狀態(tài)，一般將Q 端的狀態(tài)作為觸發(fā)器的狀態(tài)。S 與R 不同的輸入組合會(huì)導(dǎo)致Q 端不同的狀態(tài)，如表2 所示。

圖5 基本RS 觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)

表2 基本RS 觸發(fā)器功能表

由于本次設(shè)計(jì)只需用到基本RS 觸發(fā)器的置“0”、置“1”和保持功能，為了讓安全保護(hù)裝置能夠穩(wěn)定有效地開啟和關(guān)閉，避免不確定狀態(tài)，需要對原來的RS 觸發(fā)器進(jìn)行改進(jìn)，具體方案如下[6-8]。

（1）方案一。該方案如圖6 所示，將基本RS 觸發(fā)器的5 號端接地，使其保持低電平狀態(tài)，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)不確定狀態(tài)。將觸發(fā)器的輸入與輸出端直接相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。當(dāng)無人闖入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，R1阻值小，T1基極電位高、集電極電位低，T2基極電位低、集電極電位高，KA 不工作，M 正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)有人闖入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，R1阻值增大，T1基極電位降低、集電極電位升高，T2基極電位升高、集電極電位降低，KA工作，M 停止運(yùn)轉(zhuǎn)（圖2）。該方案雖然能夠有效避免不確定狀態(tài)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于輸入端的電流、電壓與輸出端的電流、電壓不同，兩者直接相連會(huì)影響電路的穩(wěn)定性，并且存在不能手動(dòng)控制電機(jī)啟、停的缺點(diǎn)[9]。

圖6 基本RS 觸發(fā)器改進(jìn)方案一

（2）方案二。為了增加電機(jī)的手動(dòng)控制環(huán)節(jié)，提高危險(xiǎn)保護(hù)裝置的穩(wěn)定性，區(qū)分觸發(fā)器輸入端與輸出端的電流、電壓，本文在方案一的基礎(chǔ)上，提出以下改進(jìn)措施，如圖7 所示。在2，5 號端子之間增加1個(gè)單刀雙擲開關(guān)K1。若閉合K1，且將撥動(dòng)開關(guān)K2斷開，使5 號端子置于接地處，整個(gè)觸發(fā)器相當(dāng)于1個(gè)與非門，此時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域安全保護(hù)裝置處于自動(dòng)保護(hù)狀態(tài)[10]。若斷開K1，且將K2閉合，使5 號端子置于穩(wěn)壓管D 的正極，此時(shí)RS 觸發(fā)器正常工作且避免了不確定狀態(tài)，從而可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域安全保護(hù)裝置的手動(dòng)控制。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自動(dòng)控制，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)其手動(dòng)控制，提高了電路的穩(wěn)定性，并且更加符合實(shí)際應(yīng)用需求。

圖7 基本RS 觸發(fā)器改進(jìn)方案二

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)區(qū)域安全保護(hù)裝置是基于74LS00 集成塊構(gòu)成的RS 觸發(fā)器。系統(tǒng)增加了1 個(gè)單刀雙擲開關(guān)，并且利用光敏電阻的阻值變化特性，實(shí)現(xiàn)高、低電平的轉(zhuǎn)換，從而控制電機(jī)的啟、停。當(dāng)工作人員靠近危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，電機(jī)能夠停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)工作人員離開危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，電機(jī)又能夠恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了區(qū)域的安全保護(hù)問題。該裝置易于制作、成本低，并且可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模塊化，還可與其他安全防護(hù)設(shè)施相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合動(dòng)作，在經(jīng)濟(jì)性和可升級性上能體現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)勢。