Схема генератора: §32. Схемы генераторов и их характеристики

Содержание

Различные схемы автомобильных генераторов — Схемы генераторов — — Каталог статей

Список всех статей

Устаревшие схемы генераторов 60 — 70х годов прошлого века. «Жигули», «Москвич», «Волга», «Зил», «ГАЗ», «УАЗ»

 

Схема автомобильного генератора, это схема самого генератора, схема соединенного с ним регулятора напряжения и схема цепи возбуждения генератора. Генератор с регулятором напряжения иногда называют – генераторная установка.

Автомобильный генератор — это трехфазная синхронная машина. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Смысл явления состоит в том, что в обмотке индуктируется электродвижущая сила, если вокруг нее действует изменяющееся магнитное поле. Значит, генератор должен состоять из обмотки и вращающегося магнита. Обмотка наматывается на кольцевой сердечник, а внутри обмотки вращается ротор. Процесс намагничивания ротора, называется возбуждением генератора. Для намагничивания ротора в нем есть своя обмотка, в которую ток попадает через щетки. Ток, намагничивающий ротор, называется ток возбуждения, а обмотка ротора называется обмотка возбуждения.

По принципу действия синхронный генератор, создает переменное напряжение, а для зарядки аккумулятора и для работы всего электрооборудования, нужно постоянное напряжение, поэтому в любой автомобильный генератор, входит выпрямитель — трехфазный диодный мост. Переменный ток генератора выпрямляется диодным мостом и во внешних цепях действует постоянное напряжение и протекает постоянный ток.

Регулятор напряжения – обязательный элемент схемы, он поддерживает необходимый уровень выходного напряжения генератора.

Регулятор напряжения включается в цепь возбуждения. Его задача управлять током возбуждения. Он работает в режиме открыто – закрыто, то есть, он все время включает и выключает ток возбуждения. Напряжение генератора повышается, он отключает ток возбуждения — напряжение снижается, он снова включает ток возбуждения и напряжение повышается. Таким образом, он не дает напряжению вырасти выше заданного значения, которое должно быть 13,8 — 14,2 Вольта. Такое напряжение необходимо поддерживать для нормальной зарядки аккумулятора и нормальной работы всех приборов электрооборудования.

Автомобильный генератор первоначально возбуждается от аккумулятора. Как только включается зажигание, выходной транзистор регулятора открывается, через него идет ток возбуждения и ротор намагничивается. Когда завелся двигатель и генератор заработал, возбуждение происходит уже от самого генератора. ЭДС генератора становится выше, поэтому генератор становится источником, а аккумулятор начинает заряжаться.

Применяются два принципа подачи тока возбуждения от генератора на собственную обмотку возбуждения.

  1. Схема возбуждения от выхода генератора

Ток возбуждения идет от выхода генератора, через замок зажигания, выход генератора всегда связан с аккумулятором.

  1. Схема возбуждения через дополнительные диоды

В этом случае, ток возбуждения выпрямляется отдельным выпрямителем, цепь возбуждения отключена от выхода генератора и, значит, от аккумулятора. Ток возбуждения идет только внутри генератора и не использует внешнюю цепь. Аккумулятор используется только для первоначального возбуждения.

 

Схемы генераторов с возбуждением от выхода генератора

Эти простые схемы применялись для автомобилей 60-х 70-х годов выпуска. «Жигули», «Москвичи», ЗиЛ, Газ, Уаз. Много таких автомобилей до сих пор остается в эксплуатации.

Регулятор напряжения может быть внешним и встроенным. Внешний регулятор это отдельная коробочка, которая соединяется с генератором проводами и стоит в стороне от генератора. Встроенный регулятор, входит в состав генератора, крепится внутри или снаружи корпуса, обычно, встроенный регулятор сделан вместе со щетками.

На выходе регулятора напряжения стоит мощный транзистор, это может быть биполярный, и может быть полевой транзистор. Он работает в ключевом режиме, то есть, открыт — закрыт. Открыт транзистор – ток возбуждения проходит, закрыт транзистор — ток не проходит.

Есть три варианта включения транзистора – с общим Эмиттером, общей Базой и с общим Коллектором. Поэтому ключи на транзисторах бывают с ОЭ, ОБ, ОК. Для каждого варианта транзисторного ключа есть свои особенности применения.

В регуляторах напряжения используются транзисторные ключи с ОЭ и ОК. Если заземлен транзистор, то это ключ с ОЭ, если заземлена щетка. то это ключ с ОК. Регуляторы выполненные по схеме с ОЭ называют A-Circuit, регуляторы выполненные по схеме с ОЭ называют В — Circuit.

В автомобильных схемах генераторов применяются обе схемы – и A-Circuit, и В-Circuit

 

Схемы с внешним регулятором напряжения

Такая схема применялась на автомобилях Жигули ранних выпусков 2101 — 2106

 

Такая схема применялась для автомобилей Волга, Газ, Зил, УАЗ. Генераторы Серий 16 3701 и 19.3771.

Эта схема применяется для автомобилей Крайслер и Додж. По этой схеме сделан генератор на двигатели Крайслер для автомобилей Волга и Газель.

 

Генераторы со встроенными регуляторами напряжения

Регулятор напряжения можно установить снаружи и внутри генератора. Такая конструкция получается более компактной и надежной, она позволяет отказаться то проводов для соединения генератора и регулятора напряжения.

При установке регулятора снаружи корпуса генератора, появляется возможность замены регулятора не снимая генератор.

 

 

Генераторы такой конструкции, со встроенным регулятором, установленном на корпусе, широко применяется для автомобилей выпускавшихся  в недавнее время и находящиеся в эксплуатации — Валдай, КАМАЗ, МАЗ, УАЗ

 

Все приведенные схемы используют принцип питания обмотки возбуждения от выхода генератора. Генератор часть своего выпрямленного тока отдает на собственное возбуждение. 

Путь тока возбуждения: Плюс генератора, плюс аккумулятора, контакты замка зажигания, вход регулятора напряжения, обмотка (или наоборот), обмотка возбуждения, минус — масса.

 

Недостаток  Схемы с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора.

Почему отказались от такой схемы и стали применять схему с дополнительными диодами, (тоже устаревшую)

В настоящее время снова используется схема без доп. диодов, в таких генераторах применяют регуляторы напряжения с микроконтроллерами. 

В генераторах с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора, весь ток возбуждения проходит через контакты замка зажигания. Этот ток для получения достаточной мощности генератора должен быть быть 3 — 5 Ампер. Такой ток  требует качественного зажима всех контактов и достаточно толстого провода,  при размыкании контактов дает сильную искру и изнашивает контакты, снижая надежность системы зарядки и системы зажигания, которая питается через эти же контакты.

Аккумулятор в любой схеме всегда подключен к плюсовому выводу генератора, это необходимо для того, чтобы генератор и аккумулятор могли работать как источники заменяя друг друга — двигатель не работает — источник аккумулятор, двигатель заработал — источник генератор. Когда генератор не работает, аккумулятор, прямо подключенный к нему, не может разрядиться через генератор, потому, что диодный мост не пропускает ток в обратном направлении, но,

через обмотку возбуждения, аккумулятор может разрядиться.

Если двигатель не завелся,  генератор не заработал, а зажигание осталось включено, то через обмотку ротора идет ток  от аккумулятора (а это 3 – 5 Ампер). По разным причинам такие ситуации иногда возникают и тогда, через несколько часов, двигатель не заведется. То есть, в схемах, в которых обмотка возбуждения запитана от выхода генератора и, значит, подключена непосредственно к аккумулятору, может неожиданно разрядиться аккумулятор.

 

Схема с дополнительными диодами несколько сложнее, но она обеспечивает питание обмотки возбуждения, прямо внутри генератора минуя замок зажигания, обмотка возбуждения не имеет прямой связи с аккумулятором, поэтому  такая схема исключает случайную разрядку аккумулятора при невыключенном зажигании.

 

В схемах с дополнительными диодами, первоначальное возбуждение также происходит от аккумулятора, но очень маленьким током чрез ограничительные сопротивления или через специальную лампочку. После запуска генератора ток возбуждения идет уже по отдельной цепи, не связанной с аккумулятором, через дополнительный выпрямитель. (доп диоды)

Схемы автомобильных генераторов с дополнительными диодами.

Устройство и принцип работы генератора автомобиля. Схема генератора.

Устройство и принцип работы генератора автомобиля. Схема генератора.

У этого поста — 1 комментарий.

Содержание статьи:

Наша жизнь с бурным ритмом движения сделала привычным для слуха такое слово, как генератор. Вот только каждый воспринимает его по — своему. Кто-то считает, что это программа для компьютера, кто-то уверен, что это радиоэлектронное устройство. Заострим внимание на том, что генератор – это устройство, вырабатывающее электрическую энергию. В конкретном случае речь пойдем об автомобильном генераторе.

Принцип работы генератора.

Основной принцип работы генератора – это преобразование в электрическую энергию механическую. Одновременно устройство служит и для зарядки аккумулятора, когда двигатель работает. Другой немаловажной задачей генератора является обеспечение стабильной работой каждой электрической системы, не допуская разрядки АКБ. К сведению: разрядка обычно происходит, если напряжение становится низким. В противном случае батарея перезаряжается, а это приводит к тому, что она выходит из строя раньше положенного срока. Остановимся более подробно на том, как работает генератор. Принцип его работы относительно прост. Ременная передача двигателя вращает ротор. После начала движения напряжение поступает на обмотку возбуждения, где образуется магнитный поток. За силу тока отвечает реле-регулятор, который обеспечивается увеличением либо уменьшением напряжения на щетки. На выходе напряжение всегда будет колебаться в требуемых пределах, что обычно бывает достаточно для исправной работы аккумулятора.

Функция генератора может быть более объемна, нежели все привыкли считать. Как один из вариантов может быть использован в качестве источника частотозависимого сигнала. Он необходим для системы и служит защитой для двигателя от чересчур опасных высоких частот вращения. Кроме этого генератор поддерживает питание тахометра и других ему подобных систем, напрямую связанных с работой коленчатого вала. Когда поступает сигнал о том, что генератор получает повышенную нагрузку,( он может идти как напрямую в систему управления двигателем либо через бортовой компьютер) происходит следующее. В двигателе увеличивается частота вращения коленчатого вала,( во время работы на холостом ходу), что приводит к улучшению баланса заряда. И как закономерный вывод: отключенное напряжение генератора при разгоне дает возможность разгрузить двигатель, тем самым сокращая само время разгона.

Традиция или компактность — предназначение одно. Виды генераторов.

Конструктивное исполнение делит генераторы на две группы:
• конструкция традиционная;
• компактная конструкция.

Выделим каждой из групп немного внимания.

В первую группу входят устройства, имеющие один вентилятор. Вентилятор располагается непосредственно у приводного шкива. Ко второму относят устройства, оснащенные двумя вентиляторами. Их устанавливают во внутренней полости самого генератора. Стоит отметить, что вне зависимости от конструкции, значительных отличий в принципе работы генератора не существует.

Бережем генератор и не делаем то, что нельзя делать.

Во время работы автомобильного генератора запрещается выполнять следующее:
• Если неисправен выпрямитель, генератор нельзя оставлять подключенным к АКБ.
• Не стоит проверять исправность генератора, напрямую замыкая его на «массу».
• Отключения от батареи вол время работы двигателя категорически запрещено.
• Необходимо беречь генератор от попадания на него тосола, электролита и другой жидкости.

Типовая схема генератора на автомобиле.

Другие похожие статьи:

устройство, принцип работы и схемы подключения, виды генераторов, особенности их конструкции и работы

Генераторный узел представляет собой электродвигатель, предназначенный для преобразования механической энергии в электрическую. В зависимости от типа и назначения габариты, устройство и принцип работы генераторов переменного тока могут будут отличаться.

Содержание

Открытьполное содержание

[ Скрыть]

Как работает генератор переменного тока?

Работа генератора заключается в создании электродвижущей силы в проводнике под действием изменяющегося магнитного поля.

Схема и устройство простейшего генератора

По конструкции электрогенератор включает в себя следующие элементы:

  • вращающаяся индукторная составляющая, называющаяся рамкой;
  • движущая щеточная часть;
  • коллекторное приспособление, оснащенное щетками, предназначенное для отвода напряжения;
  • магнитное поле;
  • контактные кольца.

Схема простейшего генераторного устройства переменного тока

Принцип действия

Образование электродвижущей силы в обмотках статорного механизма осуществляется после появления электрополя. Для последнего характерны вихревые образования. Данные процессы происходят в результате изменения магнитного потока. Причем последний меняется из-за быстрого вращения роторного механизма.

Ток от него поступает в электроцепь посредством контактных элементов, выполненных в виде деталей скольжения. Для более упрощенного прохождения напряжения к концам обмотки производится подсоединение колец. К этим контактным составляющим подключаются неподвижные щеточные элементы. С их помощью между электропроводкой и обмоткой роторного устройства появляется связь.

В витках магнитного элемента происходит образование поля, в нем формируется ток небольшой величины. По сравнению с напряжением, которое выдает простейший генераторный агрегат на внешнюю электроцепь. Если узел характеризуется небольшой мощностью, то в нем поле образует постоянный магнит, который может прокручиваться. Благодаря такому устройству и принципу работы генератора переменного тока в целом упрощается вся система. Поэтому из конструкции можно убрать щетки и контактные элементы.

Канал «Top Generators» наглядно и схематично в видеоролике показал принцип функционирования агрегата.

Основные виды генераторов переменного тока

Между собой устройства, позволяющие генерировать напряжение, делятся на синхронные и асинхронные. Они могут использоваться в различных сферах жизнедеятельности, но работать будут по разному принципу.

Синхронный генератор

Одним из свойств такого типа устройств является то, что частота тока, который оно воспроизводит, пропорциональна скорости вращения роторного механизма.

Между собой синхронные агрегаты делятся на несколько типов:

  1. Повышенной частоты. В основе принципа функционирования устройства лежит процесс изменения магнитного потока, достигающегося путем вращения роторного механизма касательно неподвижного статора. Такой тип агрегатов используется преимущественно для питания антенн длинноволновых станций на расстоянии до 3 км. Подключать устройства для работы с более короткими волнами не получится, поскольку необходимо увеличить значение частоты.
  2. Гидротурбинные агрегаты работают за счет активации гидравлической турбины, которая приводит в движение узел. В таких устройствах роторный механизм устанавливается на одном шкиве с колесом турбинного элемента. Его мощность может составить до 100 тысяч кВт, если скорость вращения будет 1500 оборотов в минуту, а напряжение — до 16 тыс. В. По массе и габаритам такой тип агрегатов считается самым большим, поскольку в них диаметр одного ротора составляет 15 метров. На величину мощности кружения турбины влияют три параметра — скорость вращения, длина электролинии, а также маховый момент роторного механизма.
  3. Паротурбинные агрегаты, которые приводятся в действие посредством активации паровой турбины. Такой тип устройств функционирует со скоростью вращения 1,5-3 тысячи оборотов в минуту и они бывают двухполосными и четырехполосными. Роторный механизм выполнен в виде большого железного цилиндра, оснащенного прямоугольными пазами, внутри элемента располагается обмотка возбуждения. Корпус статорного устройства всегда неразъемный и выполнен из стали. Общий диаметр агрегата составляет до 1 метра, однако длина его ротора может быть до 6,5 м.
Схема и устройство

Синхронный агрегат конструктивно включает в себя два основных элемента:

  1. Ротор. Это подвижная составляющая оборудования. Она предназначена для преобразования системы вращающихся электрических магнитов, которые питаются от внешнего источника.
  2. Статорный механизм или неподвижная составляющая агрегата. В обмотке этого устройства посредством образования магнитного поля появляется ЭДС, которая идет на наружную электроцепь оборудования. Благодаря таким конструктивным особенностям в цепях нагрузок синхронных электрогенераторов не используются скользящие контакты. Магнитный поток от оборудования, который появляется посредством вращения ротора, возбуждается от стороннего источника. Последний монтируется на общем валу или может подключаться к нему с помощью муфты либо ременной передачи.

Схематическое устройство синхронного генераторного агрегата

Особенности работы

Принцип действия может незначительно отличаться в зависимости от типа устройства — явнополюсного либо неявнополюсного. Количество пар полюсных элементов роторного механизма определяется скоростью вращения узла. Если частота образующейся ЭДС составляет 50 Гц, то при 3 тысячах об/мин неявнополюсное устройство обладает одной парой полюсов. В явнополюсных агрегатах, вращающихся при 50-750 оборотах в минуту, количество пар полюсных элементов составит от 60 до 4.

В маломощных синхронных агрегатах питание обмотки возбуждения осуществляется посредством воздействия выпрямленного тока. Электроцепь появляется в результате активации трансформаторных устройств, которые входят в общую цепь нагрузки узла. Также она включает в себя полупроводниковый выпрямительный блок, который может собираться по любой схеме, но обычно как трехфазный мост. Основная электроцепь включает в себя обмотку возбуждения агрегата с регулировочным реостатным устройством.

Процедура самовозбуждения оборудования состоит в следующем:

  1. При запуске установки в магнитной составляющей образуются небольшие ЭДС, это происходит благодаря явлению остаточной индукции. Одновременно в рабочей обмотке агрегата появляется ток.
  2. В результате ЭДС образуется во вторичных электрообмотках трансформаторных устройств. А в электроцепи появляется небольшой ток, который способствует усилению общей индукции магнитного поля.
  3. Увеличение параметра ЭДС осуществляется до момента, пока магнитная система агрегата не возбудится до конца.

Асинхронный генератор

Такой узел представляет собой устройство, производящее электроэнергию с использованием принципа действия асинхронного двигателя. Данный тип агрегатов именуется индукционным. Асинхронное устройство обеспечивает оперативный поворот роторного механизма, а его скорость вращения намного выше по сравнению с синхронным. Простой двигатель может применяться в качестве генераторной установки без дополнительных настроек.

Асинхронные агрегаты используются в разных сферах:

  • для моторов ветровых электрических станций;
  • для автономного питания жилых помещений и частных домов либо в качестве миниатюрных ГЭС-станций;
  • для инверторных агрегатов сварки;
  • с целью организации бесперебойного питания от переменного тока.
Схема и устройство

Схематическое подключение асинхронного агрегата

Основными составляющими элементами данного типа устройств считаются статорный механизм и ротор. Первый является неподвижным, а второй прокручивается внутри него. Ротор отделен от статорного механизма воздушным зазором. Чтобы снизить величину вихревых токов, сердечники составляющих элементов делаются из отдельных листов электротехнической стали. Их толщина в зависимости от производителя может составить от 0,35 до 0,5 мм. Сами листы оксидируются при изготовлении, то есть подвергаются термической обработке, что позволяет увеличить их поверхностное сопротивление.

Сердечник статорного механизма устанавливается внутрь станины, которая является наружной частью агрегата. На внутренней стороне детали располагаются пазы, в них находится обмотка. Статорная электрообмотка зачастую выполняется из катушек с небольшим шагом. В ее основе используется медный изолированный проводник.

Особенности работы

Асинхронный тип двигателей производит электроэнергию при увеличенной скорости прокручивания роторного механизма. Этот параметр всегда выше, чем у синхронных агрегатов. При прокручивании роторного устройства и выработки электричества потребуется сильный крутящий момент. Если в двигателе используется так называемый вечный холостой ход, это обеспечит равную скорость прокручивания в течение всего ресурса эксплуатации установки.

Схемы подключения

По числу использующихся фаз все генераторные агрегаты делятся на две группы:

  • однофазные;
  • трехфазные.

Однофазный генератор

Схема подключения оборудования с одной фазой

Этот тип устройств используется для работы с любыми потребителями электроэнергии, главное — чтобы они были однофазными.

Самые простые конструкции состоят из:

  • магнитного поля;
  • прокручивающейся рамки;
  • коллекторного устройства, предназначенного для отвода тока.

Благодаря наличию последнего в результате рамочного прокручивания через щетки образуется постоянный контакт с рамкой. Параметры тока, который меняется с учетом закона гармоники, будут разными и передаются на щеточный узел, а также в схему потребителей напряжения. На сегодняшний день однофазные агрегаты являются наиболее популярным типом автономного источника питания. Они могут использоваться для подключения практически всех бытовых электроприборов.

Трехфазный генератор

Такой тип устройств относится к классу универсальных, но более дорогих агрегатов. Отличительная особенность трехфазных генераторов заключается в необходимости постоянного и дорогостоящего технического обслуживания. Несмотря на это, данный тип установок получил наибольшее распространение.

Это обусловлено следующими преимуществами:

  1. В основе агрегата используется вращающееся круговое магнитное поле. Это обеспечивает возможность хорошей экономии при разработке оборудования.
  2. Трехфазные генераторы состоят из уравновешенной системы. Это обеспечивает ресурс эксплуатации агрегата в целом.
  3. В работе трехфазного устройства одновременно используется два напряжения — линейное и фазовое. Оба применяются в единой системе.
  4. Одно из основных преимуществ — повышенные экономические показатели. Это обеспечивает снижение материалоемкости силовых проводов, а также трансформаторных агрегатов. Благодаря данной особенности упрощается процедура передачи электричества на большие расстояния.
Схема соединения «звездой»

Данный тип подключения подразумевает электросоединение концов обмоток в определенной точке, которая именуется «нулем». При выполнении такого подсоединения нагрузку к генераторному узлу можно подать посредством трех или четырех кабелей. Проводники от начала обмоток считаются линейными. А основной кабель, который идет от нулевой точки, является нулем. Параметр напряжения между проводниками считается линейным (эта величина выше в 1,73 раза по сравнению с фазной).

Схема типа «звезда» для подключения трехфазного оборудования

Одной из основных особенностей данного варианта является равенство токов. Четырехпроводной тип «звезды» с нейтральным кабелем считается самым распространенным. Его использование позволяет предотвратить перекос фаз при подсоединении несимметричной нагрузки. К примеру, если на одном контакте она активная, а на другом — реактивная или емкостная. При использовании такого варианта обеспечивается максимальная защищенность включенного электрооборудования.

Схемы соединения «треугольником»

Данный метод подключения представляет собой последовательное подсоединение обмоток трехфазного агрегата. Конец первой намотки должен быть соединен с началом второй, а ее контакт — с третьей. Затем проводник от обмотки под номером 3 подсоединяется к началу первого элемента.

При такой схеме линейные кабели отводятся от точек подключения обмоток. Параметр линейного напряжения по величине соответствует фазному. А значение первого тока выше второго в 1,73 раза. Описанные свойства актуальны исключительно в случае равномерной нагрузки фаз. Если она будет неравномерной, то параметры необходимо пересчитать графическим или аналитическим способом.

Электросхемы соединений агрегата «треугольником»

Особенности генераторов с разными типами двигателя

Автомобильные и бытовые установки могут разделяться между собой в соответствии с видом топлива, на котором они функционируют. Генераторный узел может работать на бензине или дизеле.

Бензогенераторы

В таких устройствах источником механической энергии является двигатель. Агрегат относится к классу четырехконтактных карбюраторных ДВС. В бензогенераторах используются двигатели, рассчитанные на 1-6 кВт. В продаже можно встретить агрегаты, разработанные для функционирования при 10 кВт, с их помощью можно обеспечить питание всех световых и электроприборов в частном доме.

Бензогенераторы могут похвастаться невысокой стоимостью и длительным ресурсом эксплуатации, хотя по сравнению с дизельными — они немного меньше. Выбор агрегата осуществляется с учетом нагрузок, в условиях которых он будет функционировать. Если узел работает с большим пусковым током и применяется для электросварки, то лучше отдать предпочтение синхронным устройствам. При выборе асинхронного типа агрегата двигатель сможет справиться с пусковыми токами. Но важно, чтобы генераторная установка была полностью загружена, в противном случае топливо будет расходоваться нецелесообразно.

Канал «Olifer TV» рассказал о выборе агрегатов для частного дома в соответствии с типом горючего, на котором он будет использоваться.

Дизельные генераторы

Такой агрегат приводит в действие мотор, функционирующий на дизеле.

В его основе используется:

  • механическая составляющая;
  • панель с кнопками, предназначенная для управления;
  • система подачи топлива;
  • охладительный узел;
  • система смазки трущихся компонентов и узлов.

Мощность генераторной установки полностью определяется аналогичным параметром самого двигателя. Если она будет невысокой, к примеру, для запитки бытового электрооборудования, то лучше отдать предпочтение бензиновым установкам. Дизельный тип агрегатов целесообразно использовать там, где требуется высокая мощность. Двигатели внутреннего сгорания обычно применяются с верхней установкой клапанов. Они обладают более компактными размерами, а также высокой надежностью.

Кроме того, дизельные ДВС при функционировании выделяют меньше токсичных газов, опасных для здоровья человека, и более удобны в плане ремонта. Специалисты рекомендуют отдать предпочтение агрегатам, корпус которых выполнен из стали, так как пластмасса имеет меньший ресурс использования.

Более надежными являются генераторные дизельные установки, не оснащенные щетками.

Напряжение, которое они вырабатывают, стабильнее. В среднем, если бак заправлен дизельным горючим под завязку, это обеспечит возможность работы генератора в течение семи часов. Если агрегат будет установлен стационарно, то его конструкцию можно дополнить внешним резервуаром для залива топлива.

Канал «Фабрика Тока» продемонстрировал работу дизельного агрегата, использующегося для обеспечения энергией частного дома.

Инверторные генераторы

Производство электрической энергии осуществляется аналогично, как на любой классической модели генератора. В первую очередь производится выработка переменного тока. Он выпрямляется и подается на инверторный узел, а затем преобразуется опять в переменный, только с необходимыми техническими параметрами.

В основе агрегата используется электронный модуль, включающий в себя:

  • выпрямительный узел;
  • микропроцессорное устройство;
  • преобразовательный механизм.

По типу выходного напряжения инверторные агрегаты могут разделяться на:

  1. Прямоугольные. Такой вид устройств считается наиболее дешевым. Его энергии хватит только для запитки электроинструментов и маломощных приборов.
  2. Устройства с трапецеидальным сигналом. Могут использоваться для питания большинства электроприборов, кроме высокочувствительной техники. Стоимость таких агрегатов средняя.
  3. Устройства, работающие с синусоидальным напряжением. Такие генераторы характеризуются стабильными характеристиками и подходят для большинства электрических приборов.
  1. Прямоугольные. Такой вид устройств считается наиболее дешевым. Его энергии хватит только для запитки электроинструментов и маломощных приборов.
  2. Устройства с трапецеидальным сигналом. Могут использоваться для питания большинства электроприборов, кроме высокочувствительной техники. Стоимость таких агрегатов средняя.
  3. Устройства, работающие с синусоидальным напряжением. Такие генераторы характеризуются стабильными характеристиками и подходят для большинства электрических приборов.

Инверторные агрегаты могут функционировать без перерыва либо промежутками. В качестве объектов потребления энергии обычно выступают учреждения, где нельзя допустить перепадов напряжения.

Основные преимущества инверторных установок:

  • маленькие размеры и масса;
  • низкий расход горючего в результате регулировки выработки определенного объема электричества, необходимого в конкретный момент времени;
  • инверторные агрегаты могут функционировать в течение короткого временного интервала с перегрузкой.

Минусы:

  • высокая стоимость устройств по сравнению с классическими вариантами генераторных установок;
  • повышенная чувствительность к температурным изменениям в электронной составляющей;
  • невысокий уровень мощности установки;
  • дорогостоящий ремонт электронного модуля при его поломке.

Использование инверторных устройств актуально в случае, когда требуемая величина мощности составляет не больше 6 кВт. Если агрегат будет использоваться на постоянной основе, то лучше отдать предпочтение классическому типу.

Канал «Garage КАХОВКА» протестировал бензиновую установку инверторного класса от производителя «ПилоД».

Как сделать генератор переменного тока своими руками

Для самостоятельного изготовления асинхронного агрегата понадобится следующее:

  1. Мотор. Двигатель можно соорудить своими руками, но эта процедура слишком длительная и трудоемкая. Поэтому лучше использовать агрегат от старого неработающего бытового электрооборудования. Оптимальным вариантом будет применение двигателя от дренажного насосного устройства, стиральной машинки либо пылесоса.
  2. Статорный механизм. Рекомендуется приобрести готовое устройство, оборудованное обмоткой.
  3. Комплект электрических проводов.
  4. Изолента, допускается применение термоусадочных трубок.
  5. Трансформаторный узел или выпрямительный блок. Этот элемент потребуется в случае, если на выходе генератора переменного тока энергия будет иметь разную мощность.

Перед началом работ необходимо сделать несколько манипуляций, которые позволят правильно выполнить расчет параметра мощности агрегата:

  1. Использующийся двигатель подключается к электросети для определения скорости вращения. Чтобы выполнить эту задачу, потребуется специальное устройство — тахометр. После считывания информации полученное значение надо записать и прибавить к нему еще 10%. Это — компенсаторная величина. Если добавить 10% к скорости вращения, это позволит предотвратить перегрев агрегата во время функционирования.
  2. Выполняется подбор конденсаторных элементов с учетом требуемой величины мощности. Если на этом этапе возникли сложности, можно воспользоваться таблицей.
  3. Генераторная установка во время работы продуцирует электроэнергию, соответственно, заранее необходимо продумать заземление устройства. При его отсутствии и некачественной изоляции агрегат не только износится быстрее, но и может представлять опасность для человека.
  4. После подготовки выполняется процедура сборки, она не займет много сил. К двигателю, который будет использоваться в основе, подключаются конденсаторные элементы в соответствии со схемой. В ней указана очередность подсоединения компонентов. Надо учесть, что величина емкости каждой конденсаторной детали соответствует предыдущему устройству.
Схема сборки простого генератора переменного тока
Таблица выбора емкости конденсатора для агрегата

Полученный узел сможет обеспечить энергией электрическую пилу, циркулярку или болгарку, т. е. любой маломощный инструмент.

При использовании самодельного генератора переменного тока нельзя допустить перегрева двигателя, иначе это приведет к его поломке и даже взрыву.

В процессе сборки и эксплуатации надо учитывать следующие нюансы:

  1. Если коэффициент полезного действия падает прямо пропорционально в соответствии с длительностью работы, это норма. Данный нюанс связан с тем, что периодически генераторный агрегат должен отдыхать и остывать. Важно время от времени снижать температуру двигателя до 40 градусов Цельсия.
  2. Поскольку в простой схеме устройства не используется автоматика, потребитель должен сам контролировать все процессы работы приспособления. Время от времени к агрегату необходимо подключать измерительное оборудование — тахометр, вольтметр.
  3. Перед выполнением сборки нужно правильно подобрать электроприборы в соответствии с расчетом его технических параметров и свойств. Приведенная схема наиболее простая в плане реализации.

Видео «Принцип действия генераторного устройства»

Канал «Halyk Smart» рассказал о нюансах функционирования агрегата переменного тока.

 Загрузка …

Как возбудить генератор напрямую | Схема самовозбуждения генератора

На чтение 11 мин. Опубликовано

Многих автомобилистов интересует, как можно возбудить генератор напрямую, без использования аккумулятора. Это нужно тем, кто часто ездит на большие расстояния, а автомобиль без зарядки АКБ от генератора проработает не дольше пары часов. Ниже рассмотрим, как это сделать.

Немного об эффекте возбуждения

Напряжение, формируемое генератором при разных оборотах работы мотора, регулируется обмотками возбуждения. Сила тока поддерживается на постоянном напряжении в пределах 13.8-14.2 В. Для обеспечения питанием всех систем автомобиля, в нем предусмотрен регулятор напряжения (РН). Устройство размещается внутри генератора и встречается как в отечественном автопроме, так и на машинах зарубежного производства. В народе его называют шоколадкой либо таблеткой.

Генератор соединяется с аккумуляторной батареей плюсовым выводом «30» (часто встречается название «плюс», «В» или «ВАТ»). Зажим с отрицательным потенциалом обозначается как «31» (встречается название «D» и «В-»). Контакт от «шоколадки», который используется для подачи напряжения от сети автомобиля после включения зажигания, обозначается как вывод «15» («S»). Контакт для подачи питания на индикатор зарядки отмечается как «61» («D+»).

Прекращение подзарядки аккумулятора от генератора, в большинстве случаев, указывает на выход из строя «таблетки». Но не стоит расстраиваться, ведь в таком случае можно подать напряжение на обмотки возбуждения и добраться до ближайшего магазина либо автосервиса. Итак, чтобы не разрядить батарею в ноль, потребуется отсоединить «таблетку», а после возбудить генератор.

Схема генератора

Чтобы суметь в нужный момент возбудить генератор, без применения аккумулятора, следует внимательно изучить схему и принцип действия разных модификаций агрегатов. Важным моментом является понимание того, для чего он нужен вообще и какие именно функции выполняет.

Говоря простым языком генератор – это устройство, которое служит для преобразования механической энергии в электрическую. Он обеспечивает питанием все потребители электрического тока в автомобиле и подзаряжает АКБ во время работы двигателя. Размещается он в передней части мотора, а работает за счет кривошипного вала. На «гибридах» генератор используется как стартер. Однако такая схема иногда встречается и на авто с двигателем внутреннего сгорания, имеющих систему «стоп-старт».

Исходя из этого можно сделать вывод, что генераторы бывают двух типов, отличающихся по конструкции. Главное их различие заключается в том, как располагается выпрямительный блок, приводной шкив и вентилятор. Помимо этого, генераторы имеющие разную схему, отличаются и габаритными размерами. Основные параметры, независимо от типа, остаются одинаковыми – все они имеют в конструкции ротор (индуктор), статор и т.д.

Ниже приведена схема генератора отечественного производства. Встречается он практически на всех моделях авто нашего производства.

А это более современная схема, часто встречается на ВАЗ от «восьмерки» и выше.

Теперь рассмотрим схему подключения генератора и как он работает.

Основная задача, которую выполняет ротор генератора – создает магнитополе. В этих целях вал имеет обмотку возбудителя (или ВО). Он располагается на выступах «плюсовых» половинок. На валу тоже имеется контактная группа, которая состоит из двух медных ободков. По ним проходит напряжение на обмотку возбуждения, для этого они припаиваются к контактам ВО.

Важно! Иногда встречаются кольца из других металлов, например латунь либо сталь.

Помимо этого, на вал устанавливаются и крыльчатка вентилятора. Там же крепится и приводной шкив (ВПД). Еще одним важным узлом ротора является подшипник.

Относительно функций статора – он преобразовывает постоянное напряжение в переменное и состоит из металлического сердечника набранного из пластинок и обмотки. Статор имеет 46 специальных пазов, в которые укладывается обмотка. Он позволяет разместить в себе три обмотки, благодаря чему можно получить трехфазное соединение.

Выпрямительный блок служит для преобразования тока, который производится генератором из переменного в постоянный для последующей подачи его на потребители. Блок состоит из шести полупроводниковых диодов, на каждую фазу по два – плюс и минус генератора.

Щетки нужны для передачи вырабатываемого тока на кольца возбудителя. Состоят они из графитового элемента, щеточек, пружин для удержания и поджима. На современных генераторах этот узел совмещен с регулятором в единое целое.

«Шоколадка» необходима для поддержания токов генератора в заданных значениях. Сегодня можно встретить электронные либо гибридные регуляторы. В гибридном исполнении в схеме имеются радиодетали и электроприборы. В электронных – части выполнены при помощи технологий ТМТ.

Привод генератора работает благодаря вращениям ременной передачи. Это придает такую же скорость вращения и индуктору, что и требуется для его нормальной работы.

Отсюда в большинстве моделей генераторов обмотка возбуждения подключена отдельной группой, которая состоит из двух полупроводниковых диодов. Диодная схема чаще называется выпрямителем, и препятствует перетеканию тока из аккумулятора обратно по цепи в генератор при стоячем двигателе.

Стоит знать. При соединении обмотки схемой «звездочка» на нулевой вывод устанавливается два дополнительных силовых диода, это позволяет повысить мощность генератора на 15 %. Выпрямительный блок устанавливается на генератор с помощью припайки либо фиксируется механическим способом.

Регулятор является крайне важной деталью в схеме генератора, он отвечает за стабилизацию напряжения при изменениях частоты вращения кривошипного вала. Этот процесс полностью автоматический и проходит путем воздействия на обмотку возбуждения. То есть регулятор отвечает за частоту напряжения и длительность импульсов.

Интересно. Регулятор изменяет силу тока, которая подается на аккумулятор благодаря термокомпенсации напряжения. Проще говоря, чем теплее, тем меньше тока поступает на АКБ.

Как возбудить генератор

Что же потребуется для возбуждения генератора. Как упоминалось ранее следует первым делом снять «шоколадку», так как причина поломки кроется в ней. Затем соединяются плюсовые контакты на обоих устройствах, а минусовые в регуляторе разрезается и соединяется с «массой» щеток.

На клемме «30» генератора заизолировать провод. К выводной цепи «15» подключить индикатор не менее 15 Ватт. Это относится к генераторам серии Г222. На других моделях агрегатов возбуждение проводится способом подключения к выводу «В».

Схема самовозбуждения генератора.

 

На схеме отмечены диоды, которые бывают только на современных типах генераторов, на более ранних версиях их нет. Правильнее сказать, что схема в которой нет этих диодов – классическая, с ними – более новая.

У некоторых моделей генераторов якоря имеют в конструкции щетки. Их тоже нужно снять, а таблетку высверлить. Один из контактов подключается к плюсу якоря через диод, второй – к минусу.

Ток начинает поступать не сразу, а только после набора определенного числа оборотов. Исходя из показаний тахометра можно определить, что подача пойдет только после 4 тыс. оборотов в минуту. То есть разгоняем двигатель до 4 000 появляется напряжение, сбрасываем обороты до 1 000 напряжение пропадет. Это и есть принцип выработки тока при самовозбуждении.

Некоторые марки авто имеют малооборотистую силовую установку. В таком случае для увеличения начально скорости вращения придется что-то проделать со шкивом. На обычных моторах проблем возникнуть не должно.

Разбираем далее. Важно знать, что на выходе генератора мы получим не 12 В. При отсутствии регулятора (таблетки) агрегат выдаст все, что сможет в зависимости от оборотов, временами даже до 30 В. Например, при старте этот показатель подпрыгивает до 36 В. Увидеть это можно, подключив лампу под соответствующее напряжение на вывода генератора. А после, постепенно падает до 20 вольт.

Конечно, схему можно и доработать. Например, путем добавления конденсатора на плюсовый провод идущий к якорю. Это нужно для того, чтобы при снижении числа оборотов мотора не падало напряжение. Качественный конденсатор также будет не лишним на выходе, это обеспечит сглаживание первого скачка напряжения и регулирование последующих спадов.

Собирая такую схему стоит помнить о выдаче большого напряжения. Оно значительно выше нормальных 12 В, поэтому существует опасность спалить лампочку, ЭБУ и другую электронику автомобиля.

Помните! При работе от самовозбуждения генератор будет передавать всю выделяемую электроэнергию, которую сможет выработать, а это может вызвать сильный перегрев и самого агрегата. Небольшая перегрузка и можно идти за новым агрегатом. Соответственно применять такой способ рекомендуется только в случае крайней необходимости.

Основные неисправности генератора

Рассмотрим наиболее распространенные неисправности, характерные для автомобильного генератора:

  1. Обрывы электроцепей, короткие замыкания и другие повреждения. Чтобы диагностировать такой дефект, необходимо проверить силу тока и показатель напряжения на выходных контактах агрегата. Исходя из полученной информации принимается решение о дальнейших действиях.
  2. Также автомобилисты часто встречаются с такой неисправностью, как чрезмерно изношенные графитовые щетки, регулятор напряжения либо диодный мост. Любую изношенную и вышедшую из строя деталь следует заменить на новую. Что касается регулятора, то как упоминалось выше, он обеспечивает оптимальную подзарядку автомобильного аккумулятора исходя из температуры в моторном отсеке. Другими словами, устройство в автоматическом режиме определяет нужное напряжение для батареи в данных условиях. В некоторых моделях генераторов встречается ручное переключение режимов в зависимости от времени года. В таком случае низкие температуры не окажут негативного влияния на работу устройства. О выходе из строя реле, просигнализируют перепады напряжения в системе – это может быть слабый свет фар во время езды, которые загораются ярче при увеличении оборотов двигателя.
  3. Неисправные подшипники. В случае поломки этого элемента появятся посторонние повышенные шумы, хотя такой же симптом наблюдается и при плохой смазке узла.
  4. Шумы и вой. В случае обнаружения таких признаков, необходимо провести проверку сепараторных элементов, дорожек качения, контактные кольца на наличие проворотов. Такие симптомы также могут говорить и о возможном возникновении межвиткового замыкания обмотки статорного элемента либо тягового реле. В любом случае при выявлении посторонних шумов во время работы генератора рекомендуется провести тщательную диагностику состояния контактов.
  5. Рабочая температура генератора иногда может достигать 90 С, однако в случае явного перегрева, необходимо немедленно проверить работоспособность диодного моста. Помимо этого, следует определить не перегружена ли бортовая сеть автомобиля дополнительными приборами и сторонними устройствами. В случае критического повышения температур первым делом потемнеет изоляция обмотки статора, в худшем случае она может даже расплавиться.
  6. Сильный износ ремня генератора. При чрезмерном износе ремень агрегата может попросту порваться, что ведет к его неправильной работе в целом. То есть в таком случае на все потребители будет расходоваться электроэнергия из аккумуляторной батареи авто. В случае обрыва ремня генератор перестает выполнять свои функции, а значит у водителя есть совсем немного времени, чтобы доехать до ближайшего автосервиса или СТО. На такой дефект могут указать перепады напряжения в бортовой сети машины. В таком случае следует проверить ремень на целостность, внимательно осмотреть его поверхность на наличие трещит, надрывав, расслоений и других механических повреждений. В случае их обнаружения его рекомендуется заменить сразу.

При обнаружении любого дефекта лучше сразу заняться его устранением самостоятельно либо обратиться в автосервис. В противном случае вы рискуете наткнуться на более дорогостоящий ремонт.

Как проверить генератор при помощи лампочки и мультиметра

Проверка работоспособности генератора возможна несколькими способами, для этого потребуется применять определенные методы – это может быть замер тока отдачи генератора, падения напряжения на проводах, соединяющих токовый вывод генератора с аккумулятором либо проверка регулируемого напряжения.

Для диагностики понадобится мультиметр, аккумуляторная батарея и лампочка с припаянными на ее контакты проводами, провода для соединения генератора с аккумулятором, а также можно взять дрель с определенной головкой – она возможно понадобится для прокрутки ротора через гайку шкива.

Схема подключения выглядит следующим образом: выходная клемма «B+» и ротор D+. Лампа врезается между выходом генератора и контактом D+. Затем силовыми проводами соединяются «минус» на аккумуляторе с массой генератора. «Плюс» от АКБ соответственно с плюсом генератора и выводом B+. Конструкция надежно закрепляется в тисках и подключается.

Мультиметр переводится в режим измерения постоянного напряжения, один щуп подключается к «плюсу» аккумулятора, а второй к «минусу». Если все исправно, то загорится лампа, а напряжение должно быть 12.4 вольта.

Затем, при помощи дрели крутиться генератор. В этот момент лампа должна погаснуть, а напряжение вырасти до 14.9 В. Затем добавляется нагрузка – для этой цели можно использовать галогенную лампочку Н4. Он также вешается на клеммы АКБ, после чего должна загореться.

Далее опять дрелью проворачивается генератор. Вольтметр должен фиксировать напряжение уже 13.9 вольт. Без дрели аккумулятор должен выдавать напряжение примерно 12.2 вольта. Если этого не происходит или показания сильно отличаются, значит генератор неисправен.

Вывод

Возбудить генератор без использования аккумулятора не так сложно, главное соблюдать последовательность и правильность действий. Не забывайте, что с отключенным регулятором агрегат выдает большее напряжение, поэтому не стоит давать большие обороты иначе можно сжечь бортовую электронику. Применяйте метод в случае крайней необходимости.

Схема сварочного генератора

Сварочные генераторы используются в условиях, когда отсутствуют внешние источники питания. Данные устройства самостоятельно вырабатывают электроэнергию, достаточную для полноценного функционирования сварочного поста. В их конструкцию входит сам сварочный аппарат и генератор, вырабатывающий электроэнергию. Наиболее широкое распространение получили силовые установки, работающие на бензине.

Физические свойства ручной дуговой сварки

Для выполнения ручной дуговой сварки используются электроды. Они подаются к месту сваривания постепенно, по мере расплавления, и перемещаются вдоль шва. В это время проявляется основное физическое свойство, когда между электродом и основным металлом загорается дуга. В этот момент стержень расплавляется и жидкий металл в виде капель стекает в так называемую сварочную ванну.

Одновременно со стержнем расплавляется и покрытие электрода, в затем, превращаясь в газ, защищает пространство около дуги и саму ванну на расплавленной поверхности, препятствует контакту атмосферного воздуха с расплавленным металлом. Постепенно дуга перемещается, сварочная ванна становится твердой, металл кристаллизуется, и в этом месте образуется соединительный шов, на поверхности которого появляется твердая корка из шлака.

Сварочная дуга образуется и поддерживается с помощью переменного или постоянного тока, подведенного к электроду и самой металлической конструкции. На самом электроде и поверхности ванны образуются так называемые активные пятна. Расстояние между ними составляет длину дуги. Металл расплавляется на определенную глубину, размер которой зависит от нескольких факторов. Прежде всего, это рабочий режим сварки и ее расположение в пространстве. Существенное влияние оказывает скорость движения дуги, конструкция соединения, размеры и форма кромок, свариваемых между собой.

Как работают генераторные установки

Схема сварочного генератора часто применяется не только на производстве, но и в домашних условиях при выполнении ремонтных работ. Нередко они используются как автономные источники электроэнергии и являются незаменимым оборудованием, особенно на дачах и в загородных домах при регулярных отключениях электричества.

В целом, действия сварочных электрогенераторов происходят по одной и той же схеме.

  • В якорной обмотке появляется ток с переменным значением. Он появляется там, где эти обмотки пересекают магнитные силовые линии, находящиеся на полюсах статора.
  • Затем ток подводится к коллекторам и преобразуется из переменного в постоянный.
  • На следующем этапе этот постоянный ток подается на угольные щетки, очень плотно контактирующие с коллекторами.
  • В завершение процесса ток идет к зажимам, подключенным к этим щеткам, а уже от них – к сварочным проводам.

Точно также работает и бензиновый генератор для сварочного аппарата. В конструкции каждого агрегата имеется обмотка возбуждения со свойствами намагничивания. Для ее питания могут быть использованы разные способы:

  • С помощью независимых внешних источников питания.
  • Непосредственно от генератора, с обмотки якоря при помощи дополнительной щетки, соединенной с намагничивающей обмоткой возбуждения.

В первом случае в генераторе используется независимое возбуждение, а во втором – самовозбуждение. Работа каждого из них может происходить в разных режимах, которые при необходимости регулируются плавными изменениями намагничивающего тока.

Большое значение имеет последовательная обмотка возбуждения, входящая в конструкцию генератора. Ее основным отличием является малое число витков. Обмотка последовательно соединяется с дугой и подает к ней электрический ток. В результате, сила тока в ней будет одинакова с силой тока на сварочной дуге. Каждая обмотка разделяется на несколько секций и функционирует не только полностью, но и отдельными частями.

Сварка этого типа используется в основном для ручной работы с помощью единичных электродов. Именно для таких случаев предусмотрены генераторы с резко падающими внешними характеристиками, когда при повышении тока уменьшается напряжение. Такой ток требуется для поддержания постоянного стабильного горения дуги, которое может быть неровным из-за неравномерного движения руки сварщика.

Коллекторная схема генераторных установок

Одной из ведущих схем подобной аппаратуры являются сварочные генераторы коллекторного типа. Работы этих устройств осуществляется следующим образом.

При нахождении сварочной цепи в разомкнутом виде, и отсутствии нагрузки, на зажимах аппарата появляется так называемое напряжение нулевой нагрузки. Его величина эквивалентна ЭДС, возникающей в якорной обмотке. При нахождении в рабочих режимах данное напряжение находится в полной зависимости от потока магнитной индукции, появляющегося в независимой обмотке возбуждения. Одновременно, магнитный поток зависит от тока возбуждения в обмотке и регулируется специальным реостатом.

В момент зажигания дуги запускается течение тока в якорной обмотке. Далее ток идет через витки в последовательной обмотке возбуждения. В ней создается магнитный поток, направленный против другого магнитного потока, который создается в намагничивающей обмотке ОВН. В связи с этим сварочный ток возрастает, а суммарный магнитный поток в воздушном зазоре генератора снижается. Соответственно происходит уменьшение ЭДС, наводимой в якорной обмотке, и снижение генерируемого напряжения на зажимах.

Таким образом, наблюдается образование крутопадающей внешней статической характеристики. В большинстве сварочных установок коллекторного типа имеется обмотка независимого возбуждения, питающаяся через дополнительную щетку, расположенную между основными. То есть, в этих генераторах присутствует функция самовозбуждения.

Схема генераторов вентильного типа

Бензогенераторы данного типа выполнены в виде индукторного трехфазного генератора переменного тока. Он отличается повышенной частотой, а в схеме имеется встроенный выпрямительный блок. Трехфазная якорная обмотка переменного тока установлена на статоре. Она соединяется по схеме «звезда» или «треугольник». Между двумя роторными пакетами, на статоре также расположена обмотка возбуждения.

Сам ротор изготовлен в виде двух пакетов, состоящих из зубчатых элементов, изготовленных из электротехнической стали. Он не имеет обмоток и вращается вокруг своей оси. В каждом пакете ротора имеется восемь зубцов, смещенных относительно друг друга на 180 градусов.

Когда по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, в ней происходит возникновение переменного магнитного потока. Его распределение осуществляется таким образом, чтобы первый пакет создавал лишь северные полюсы, а второй – южные. При совмещении зубцов ротора и статора достигается максимальное значение магнитного потока, а величина сопротивления на пути этого потока будет минимальной. Магнитный поток становится минимальным, когда зубец статора совпадает с пазом ротора.

Таким образом наглядно видно, что обмотка возбуждения принимает непосредственное участие в создании пульсирующего или переменного магнитного потока. Пронизывая трехфазную обмотку статора, этот поток вызывает наведение в ней переменной ЭДС с повышенной частотой. В свою очередь, переменная ЭДС с помощью выпрямительного блока преобразуется в постоянное напряжение вентильного генератора.

Название устройства связано с выпрямительным блоком, в котором используются кремниевые вентили, собранные по трехфазной схеме в виде моста. Питание обмотки возбуждения осуществляется через трехфазную силовую цепь генератора. Для этого существует специальный блок, в который входят трансформаторы тока и напряжения, а также выпрямители. После запуска генератор изначально самовозбуждается за счет остаточного магнитного потока.

По сравнению с коллекторными устройствами, схема для сварочного генератора вентильного типа обладает существенными преимуществами. У них отсутствуют ненадежные скользящие контакты, они обладают повышенным КПД, отличаются компактными размерами и небольшой массой. Вентильные аппараты зарекомендовали себя более надежными в эксплуатации, высокой стабильностью горения и эластичностью сварочной дуги.

Конструктивные особенности сварочных аппаратов

Все сварочные устройства изготавливаются в компактном виде, включают в себя саму сварку и генератор сварочного аппарата. Агрегаты могут работать на бензине или дизельном топливе и применяются в тех местах, где случаются частые перебои с подачей электроэнергии или электричества нет вообще.

В соответствии с конструктивным исполнением генераторы могут быть передвижными или стационарными, одно- или многопостовыми, с различными вольтамперными характеристиками. Наибольшее распространение получил бензиновый сварочный генератор, средняя мощность которого не превышает 100 кВт. Эти агрегаты просты и удобны в обслуживании, обладают незначительной массой, могут эксплуатироваться в сложных условиях, в том числе при низкой температуре.

Среди недостатков следует отметить пониженный рабочий ресурс, существенный расход топлива и невозможность работы свыше 6 часов в день. Тем не менее, они очень популярны у потребителей в качестве резервной или аварийной аппаратуры. Лучшим вариантом считаются инверторные устройства, способные выдавать постоянную частоту 50 Гц, и выполнять сварочные работы с высоким качеством швов.

Дизельный сварочный генератор хотя и не такой мобильный, но тем не менее, он отличается повышенной выносливостью и способностью непрерывно работать в течение длительного времени. Они создают мало шума и расходуют незначительное количество топлива. Дизельные генераторы очень удобны при больших объемах сварочных работ и в случае необходимости могут использоваться как электростанции круглосуточно обеспечивая бесперебойную подачу электроэнергии.

Генератор автомобиля Нива 21213, схема подключения

На автомобиль Нива 21213 с карбюраторным двигателем 1,7 л устанавливается генератор 371.3701.

Вот схема его подключения.

Схема подключения генератора 371.3701 автомобиля Нива 21213

Схема подключения генератора 371.3701 автомобиля Нива 21213 с карбюраторным двигателем 1,7 л
Описание схемы

При включении зажигания напряжение подается на вывод «61» генератора (вывод «В» регулятора напряжения). Запитывается обмотка возбуждения. Электрический ток туда приходит с замка зажигания, через монтажный блок, лампу заряда АКБ в щитке приборов. Вывод «61» до пуска двигателя — «масса» контрольной лампы.

После пуска двигателя с вывода «61» генератора идет «плюс» — контрольная лампа гаснет. Обмотка возбуждения начинает питаться от трех дополнительных диодов на диодном мосту. Электрический ток поступает к потребителям и на аккумулятор с вывода «30» генератора.

В электрическую цепь встроен диод, позволяющий протекать току только в одном направлении.

Помимо этого, через резистор, минус может подаваться на обмотку возбуждения минуя лампочку (в случае если она повреждена). Тем самым обеспечивается резервный запуск генератора. Резистор и диод расположены в щитке приборов рядом с контрольной лампой заряда АКБ.

Электрическая цепь контрольной лампы защищена предохранителем №2 в монтажном блоке.

Подробно принцип действия и порядок работы генератора расписан в статье «Принцип действия автомобильного генератора».

Примечания и дополнения

На автомобиль Нива 21214 с инжекторным двигателем устанавливается генератор 9412.3701. Он имеет некоторые конструктивные отличия от 371.3701, но принцип действия и порядок работы у них одинаковый.

Еще статьи по электрооборудованию автомобиля Нива 21213

— Горит лампа зарядки Нива

— Задний «дворник» Нива 21213, схема подключения

— Провода подрулевых переключателей Нива 21213

— Стопы Нива 21213, схема подключения

— Схема подключения ближнего и дальнего света фар Нива 21213

— Схема подключения стартера (35.3702) автомобиля Нива 21213

— Проверка диодного моста генератора Нива 21213

Принцип работы и схема генератора переменного тока

Представить себе жизнь современного человека без электричества крайне сложно. Даже те люди, которые отдалены от цифровых технологий и Интернета, все равно пользуются бытовыми приборами, которые работают на электрической энергии. Часто для ее производства используют генератор переменного тока, ведь именно ток такого поля используется всеми бытовыми установками, подается во все квартиры и частные дома. Упомянутый выше прибор был изобретен уже достаточно давно, но он до сих пор не утратил своей популярности и применяется во многих сферах жизни людей. Про устройство генератора и принцип его работы рассказано в данной статье.

Что такое генератор переменного тока, и кто его изобрел

Генератор переменного тока представляет собой специализированную электрическую установку, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Последняя обладает переменной характеристикой. Само превращение основано на механическом вращении катушки из проволоки внутри магнитного поля.

Демонстрация рассматриваемого прибора в разрезе

К сведению! Практически все современные генераторы используют для получения электроэнергии вращающееся магнитное поле, а не катушку.

Как уже было сказано, электрический ток вырабатывается не только при механическом движении катушки в поле магнита, но и тогда, когда силовые линии магнита, находящегося во вращательном движении, пересекают витки катушки. Таким образом появляющиеся электроны начинают свое движение к положительному полюсу магнита, а сам электроток протекает от плюсового полюса к минусовому.

Ток индуцируется в проводнике (катушке). Его течение отталкивает магнит, когда рамка катушки подходит к нему, и отталкивает его, когда рамка удаляется. Его говорить проще, то ток каждый раз меняет свою ориентацию относительно полюсов магнита. Это и вызывает такое явление, как переменный электрический ток.

Демонстрация прибора с помощью простого магнита и контура

Данное приспособление появилось еще в 1832 г. благодаря стараниям Н. Тесла. Именно тогда был создал самый первый однофазный синхронный генератор переменного электрического тока. Самые первые установки производили только постоянный ток, а рассматриваемый генератор переменной характеристики некоторое время не мог найти своего практического применения. Это длилось не долго, так как люди быстро поняли, что переменный ток использовать гораздо практичнее, чем постоянный.

Обратите внимание! Преимущество новой технологии заключалось в том, что такой электроток было легче выработать, а на обслуживание приборов уходило в разы меньше времени и ресурсов, чем на аналоги, работающие на постоянном токе.

Именно благодаря переменному току и его генератору смогли появиться на свет такие электроприборы, как радиоприемник, магнитофон и другие более поздние автоматические и электротехнические установки, без которых представить жизнь современного человека нельзя.

Использование графика для демонстрации переменного и постоянного электротоков

Характеристики генератора переменного тока

Основные технические характеристики генератора переменного тока: внешняя, скоростная регулировочная и токоскоростная. Внешняя характеристика определяется, как зависимость напряженности прибора от генерируемого им тока. Она является константой и может быть определена в процессе самостоятельного и независимого возбуждения.

Скоростная регулировочная характеристика чаще всего высчитывается исходя из нескольких величин электротока нагрузки. Самое маленькое значение возбуждения находится при нагрузочном токе, равном нулю (частота вращений при этом максимальная).

Последняя токоскоростная характеристика определяется как одна из самых важных при выборе или создании генератора. Практически все новые генераторы могут самостоятельно ограничивать свой максимальный ток.

Обратите внимание! Делается это для того, чтобы частота вращения роторов не увеличивалось до частоты индуцированного стартера.

Простой индукционный генератор для использования дома и на предприятии

Принцип работы генератора

Пришло время рассмотреть устройство генератора перемененного тока и принцип его действия. Он заключается в том, что в электроустановке используют специальную систему, которая при функционировании производит магнитный поток большой мощности.

За основу взято два сердечника, изготовленных из электротехнической стали. Пазы одного сердечника предполагают размещение обмотки, которая отвечает за генерацию потока магнитных волн. Второй же используется для индукции электродвижущей силы.

Обычно сердечник, который расположен внутри, находится в горизонтальном или вертикальном положении и вращается по соответствующим орбитам. Его называют ротором. Второй же сердечник, называемый статором, как понятно из его названия, остается в неподвижном состоянии. Чем меньшее расстояние будет между этими элементами, тем больше вырастет индуктивность магнитного потока. Далее рассмотрены назначение устройства и работа генератора переменного тока.

Рассмотрение строения электрогенератора на практике

Назначение генератора переменного тока

Переменные генераторы тока применяют уже достаточно давно. За последние годы сфера применения стала еще более обширной. Используются такие приборы не только в промышленных, но и в бытовых целях. Производственные электроустановки представляют собой самый выгодный вариант для генерации электроэнергии, используемой на заводах и предприятиях, учебных учреждениях, торговых центрах и т. д. Также такие генераторы позволяют значительно ускорить строительство того или иного сооружения в тех местах, где нет возможности провести линию электропередачи.

В быту такие устройства также применяются. Они обладают более компактными размерными характеристиками и универсальностью. Часто их используют для питания частных домов, дачных участков или коттеджей.

Обратите внимание! Бытовые и производственные генераторы перемененного тока пользуются популярностью практически во всех сфера жизни человека. Особенно они полезны там, где постоянно возникают перебои с подачей электроэнергии или ее нет вообще.

Возбуждение генератора переменного тока

Как устроен генератор переменного тока

Устройство генератора крайне простое. Он состоит из двух основных частей: подвижной (ротор или индуктор) и неподвижной (статор или якорь). В ГПТ ротором выступает электрический магнит, создающий магнитное поле, которое и принимает статор. Поверхность якоря обладает впадинами, которые называются пазами. В них виднеется обмотка катушки, выступающей в роли проводника.

Обратите внимание! Обычно якорь изготавливают их спрессованных листов стали толщиной не более 0,3 мм. Их изоляционный слой представляет собой простое лаковое покрытие.

Ротор устанавливают внутри статора. Его вращение осуществляется с помощью двигателя, мощность которого передается через обычный вал и некоторые опорные элементы. На валу также имеется возбудитель с постоянным значением электротока, питающий им обмотки катушки. Также среди компонентов имеется аккумуляторная батарея, которая инициализирует запуск стартера и может подавать электричество, если его не хватает для запуска двигателя, его работы.

Важно! Основное различие между однофазным и трехфазным генераторами электрического тока заключается в том, какое максимальное напряжение выдается прибором. В первом случае это 220 В, а во втором — и 220, и 380 В.

Устройство установки

Виды генераторов переменного тока

Есть несколько типов классификации генераторов. Наиболее распространенный — по мощности. Они бывают маломощными и высокомощными. Для решения бытовых задач применяются компактная и маломощная электроустановки, которые обычно используется в качестве резервного источника питания.

В последнее время популярность обрели сварочные генераторы. С бензиновыми моделями следует быть осторожным, так как они должны использоваться только по своему прямому назначению. В противном случае их срок эксплуатации истечет намного раньше положенного. Диагностика и ремонт таких приборов — достаточно дорогостоящие, и чаще проще купить новый аппарат.

Еще одно разделение — асинхронные и синхронные генераторы. Они отличаются конструкцией ротора. В синхронном приборе катушка находится на роторе, а в асинхронном на валу есть специальные углубления, которые предназначены для вставки обмотки. Подробнее о них далее.

Маломощный генератор

Асинхронные генераторы

Асинхронные двигатели — это приборы, которые работают в тормозящем режиме. В данной ситуации ротор выполняет вращения только в одном направлении, совпадающем с движением магнитного поля, но немного опережает его.

Обратите внимание! Такие установки практически не подвержены коротким замыканиям и обладают повышенной защитой от воздействия внешних факторов.

Асинхронный генератор

Синхронные генераторы

Синхронный двигатель — это электромеханизм, который работает в режиме генерации электрической энергии. Его особенность в том, что частота вращения стартера, а точнее его магнитного поля, равна частоте вращения ротора.

К сведению! Синхронные обладают роторами, которые выполнены в виде постоянных или электрических магнитах. Полюсов у них может быть и 2, и 4, и 6. Главное, чтобы это число было кратным двум.

Синхронный генератор

Какой ток вырабатывает генератор

Характеристика тока, который вырабатывается генератором, зависит от его конструкции. Как уже стало понятно, и переменный генератор, и постоянный генератор содержат в своей конструкции электрический или постоянный магнит, создающий поток магнитного поля. В обоих случаях можно найти обмотку из медного проводника. Она вращается и, занимая различные положения в поле магнита, создает наведенную ЭДС.

Если представить, что обмотка разделена на две одинаковые части, то они поочередно будут занимать то горизонтальное, то вертикальное положение. ЭДС будет сначала максимальной, а затем нулевой. Это и будет генерация переменного тока.

Обратите внимание! Если в процессе полуоборота каким-либо образом переключить потребитель энергии, то он будет получать уже постоянный, но пульсирующий ток. В этом и отличие.

Характеристика переменного и постоянного электрических токов

Схема генератора переменного тока

Принципы работы генератора переменного и постоянного токов уже понятны, как и его основные конструкционные элементы. Необходимо рассмотреть пару схем для обобщения материала и понимания процесса генерации электротока.

Схема обычного устройства генерации электротока

Таким образом, были рассмотрены генератор переменного тока, устройство и принцип его действия.

Принципиальная схема электрического генерирующего устройства

Строение этого аппарата практически не поменялось с момента его создания еще в 1800-х гг. Данное электрооборудование служит для выработки тока, который применяется для бытовых или производственных целей.

Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания — Интернет

Часто продаются различные виды генераторов и генераторов, которые могут вообще не подходить для использования в ветряных генераторах. Чаще всего реальная мощность генератора скрывается из-за диких заявлений о напряжении холостого хода (OCV) и токе короткого замыкания (SCC). Перестань дурачиться! В этой статье будет описано, что такое напряжение холостого хода и ток короткого замыкания, и объяснено, почему они важны для проектирования ветряной турбины, которая производит оптимальную мощность при реальных скоростях ветра.

Трехфазный генератор вырабатывает «дикий» переменный ток (AC), который преобразуется в постоянный ток (DC) трехфазным мостовым выпрямителем, как показано на схеме ниже. Результирующее выпрямленное напряжение постоянного тока можно использовать для зарядки аккумулятора, питания сетевого инвертора (GTI) или можно использовать с нагревательным элементом постоянного тока для нагрева воздуха или воды. В большинстве случаев небольшие ветряные генераторы используются для зарядки одной или нескольких батарей, которые обычно называют аккумуляторными батареями.


Рисунок 1: Блок-схема ветряного генератора, заряжающего 12-вольтовую батарею.

Есть две основные характеристики генератора, которые необходимо знать, чтобы определить, будет ли он подходящим кандидатом в качестве части ветряной турбины. Первый — это напряжение холостого хода, а второй — ток короткого замыкания.

Напряжение холостого хода для ветряных турбин

Генераторы, вращающиеся без нагрузки (к выпрямителю ничего не подключено), генерируют напряжение холостого хода (OCV). Это напряжение пропорционально оборотам генератора и является довольно линейным, что означает фиксированное количество оборотов на вольт.По мере увеличения частоты вращения генератора напряжение увеличивается.

Например, если OCV генератора составляет 12 В постоянного тока при 100 об / мин, то при 200 об / мин OCV генератора будет примерно 24 В постоянного тока. Это говорит о том, что, когда вы удваиваете число оборотов в минуту, вы удваиваете напряжение.

При проектировании ветряной турбины важно согласовать производительность генератора с частотой вращения лопастей ротора в нормальном диапазоне скорости ветра 8–30 миль в час.

В качестве примера давайте спроектируем хороший OCV для ветрогенератора, который будет использоваться для зарядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи.Вы хотите, чтобы OCV генератора выдавал около 12 В постоянного тока при ветре примерно 7-8 миль в час, чтобы ветряная турбина начала заряжать 12-вольтную батарею.

К сожалению, многие генераторы или двигатели постоянного тока, которые на первый взгляд выглядят хорошо, для достижения 12 В постоянного тока требуют гораздо более высоких оборотов в минуту, чем те, которые можно разработать для хорошего набора лопастей ветряных турбин. В качестве примера предположим, что вы используете 35-дюймовые лопасти (например, нашу серию лезвий WindGrabber) и разгоняетесь до 250 об / мин при ветре 7-8 миль в час. Если 35-дюймовые лопасти могут развивать скорость 250 об / мин при ветре 7–8 миль в час, то мы знаем, что наш генератор должен производить OCV 12 В постоянного тока при примерно 250 об / мин.Если мы спроектируем генератор для выработки 12 В постоянного тока при примерно 250 об / мин и будем использовать 35-дюймовые лопасти, то у нас будет ветряная турбина, которая производит правильный OCV для правильной зарядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи!

В качестве примечания: обычно небольшие ветряные турбины мощностью ~ 1000 Вт работают в диапазоне 200-800 об / мин. Да, можно добавить зубчатую передачу, но, как и у велосипеда с зубчатой ​​передачей, лопасти поворачивать становится труднее, и требуется более высокая скорость ветра, чтобы заставить их вращаться и поддерживать их вращение. Бесплатных обедов нет. Как правило, лучше выбрать генератор, который может генерировать 12 В постоянного тока при довольно низких оборотах, и не использовать зубчатую передачу.

Перед тем, как продолжить, вот видео, которое показывает напряжение холостого хода в зависимости от частоты вращения нашего генератора Windtura 750:

И прежде чем мы начнем говорить о токе короткого замыкания, посмотрите это видео о токе короткого замыкания. по сравнению с частотой вращения нашего генератора Windtura 750:

Ток короткого замыкания, приложенный к ветряным турбинам

Итак, предположим, мы нашли или спроектировали генератор, который может производить OCV 12 В постоянного тока при правильных оборотах для нашего набора лопастей.Следующий вопрос: «Может ли он производить достаточный ток (в амперах) при увеличении числа оборотов?» Здесь и появляется ток короткого замыкания (SCC). В этом случае положительный и отрицательный выходы постоянного тока мостового выпрямителя связаны вместе (закорочены), а амперметр используется для измерения тока при увеличении числа оборотов в минуту. Проверка до 800 об / мин на мощном стенде двигателя в большинстве случаев достаточна, чтобы определить, какова кривая SCC генератора. Как и в случае с напряжением, есть некоторые генераторы, которые просто не вырабатывают большой ток при 800 об / мин, чтобы их можно было считать хорошими кандидатами для использования в небольшой ветряной турбине мощностью ~ 1000 Вт.(Если вы забыли, почему мы используем число 800 об / мин, то это потому, что это примерно максимальная частота вращения, которую небольшая ветряная турбина мощностью 1000 Вт может поразить при сильном ветре. Нас не заботит SCC генератора на 5000 об / мин, потому что ветряная турбина никогда не достигнет таких высоких оборотов)

Важно отметить, что МАКСИМАЛЬНЫЙ ток, который может вырабатывать генератор, возникает при коротком замыкании. После добавления батареи или какой-либо другой нагрузки в цепи увеличивается сопротивление, и, следовательно, ток, который может протекать, будет меньше.На практике самая последняя информация, которую вы когда-либо видели от генератора в реальном приложении, составляет около 50-70% от SCC в хорошо спроектированной системе.

Ниже приведены OCV и SSC для текущей модели Windtura 750 (2012 г.). Некоторые улучшения могут произойти в будущем, поэтому не считайте эту диаграмму ничем иным, как снимком текущего состояния нашего PMA. Испытательный стенд с газовым приводом на двух видео выше использовался для получения этих данных.


Рисунок 2: OCV по сравнению с RPM и SSC по сравнению сОбороты генератора Windtura 750

Вы можете видеть, что OCV достиг 12 В при 140 об / мин и рос с постоянной скоростью относительно об / мин (приблизительно 10,4 об / мин / вольт или около 0,1 вольт / об / мин). SCC составлял около 18 ампер при 140 об / мин и достигал максимума выше 50 ампер при более высоких оборотах. Именно так выглядит хороший кандидат на генератор для небольшой ветряной турбины: OCV Windtura 750 примерно удваивается, когда удваиваются обороты генератора. И SCC продолжает быстро расти в диапазоне 200-800 об / мин!

На практике, в сочетании с комплектом наших лопастей WindGrabber, генератор Windtura 750 может производить 35-40 ампер при сильном ветре (27-30 миль в час).В аккумуляторной системе на 12 В это означает, что на аккумуляторную батарею подается около 500 Вт, а для системы на 24 В — более 1000 Вт.

Совет: не обманывайтесь недобросовестными продавцами

ВНИМАНИЕ. Некоторые поставщики используют один прием — рекламировать фантастические уровни ватт, взяв OCV и умножив его на SCC! Это неверно. Не поддавайтесь на это!

Из того, что вы читали выше, вы знаете, что тест OCV проводился без нагрузки, а тест SCC был с закороченной турбиной.Вы не можете делать и то, и другое одновременно, но эти поставщики надеются, что вы этого не понимаете. В настоящей аккумуляторной системе напряжение будет поддерживаться в диапазоне 12-14,5 В с блоком батарей 12 В и 24-29 В с блоком батарей 24 В.

Пока напряжение, создаваемое ветрогенератором, немного выше, чем напряжение батареи, ток может течь, и вы хотите, чтобы протекал как можно больше тока. Истинная передаваемая мощность (Вт) — это напряжение (напряжение аккумуляторной батареи), умноженное на измеренный ток.

Это напряжение НЕ является OCV, а измеренный ток НЕ является SSC! На данный момент нас больше не интересуют OCV и SCC, поскольку эти тесты просто использовались, чтобы определить, будет ли потенциальный генератор хорошим выбором для использования в небольшой ветряной турбине.

A Заключительное примечание: потери в статоре

Потери в статоре: мощность (ватты) рассчитывается как квадрат тока (в амперах), умноженный на сопротивление статора (Ом). Если у статора высокое сопротивление, даже, скажем, 3 Ом, при 10 А он будет потреблять 10 А x 10 А x 3 Ом = 300 Вт! Это 300 Вт, которых не хватит ни на батарею, ни на GTI, к тому же статор будет очень горячим! Совершенно очевидно, что очень важно использовать статор с низким сопротивлением и использовать провода большого сечения во всей системе.Низкое сопротивление позволит протекать наибольшему току и подавать наибольшее количество Вт на вашу нагрузку (аккумуляторную батарею, GTI, нагревательный элемент и т. Д.).

WindyNation содержит массу полезных статей по выбору калибра провода и размера самосвальной нагрузки. Нажмите на ссылки ниже, чтобы узнать больше!

% PDF-1.6 % 1 0 объект >>> эндобдж 2 0 obj > поток 2018-11-02T09: 57: 22-04: 002018-11-02T09: 57: 24-04: 002018-11-02T09: 57: 24-04: 00 Adobe InDesign CC 13.1 (Windows) uuid: c9e07274-e149-4a63 -a352-126f78cf5091adobe: docid: indd: 50545318-e5dc-11e0-9c6e-ca4ed1097482xmp.Идентификатор: c207f7ab-0e8d-1944-a392-9dd9cf938edeproof: pdfxmp.iid: 1f53332b-c19f-5b4d-938e-2bc33988d57axmp.did: 89c2ea6a-6445-4513-b2e1-7dcab0e: db2e1-7dc5dc5dc5: indbee1-7dc5dc5: indbee1-7dc5d0e: indbee1-7dc5ddc5 ca4ed1097482 по умолчанию

  • преобразовано из application / x-indesign в application / pdf Adobe InDesign CC 13.1 (Windows) / 2018-11-02T09: 57: 22-04: 00
  • application / pdf Библиотека Adobe PDF 15.0 False
  • SiemensSansOT-Bold
  • Wingdings-Regular
  • SiemensSansOT-Regular
  • PD94bWwgdmVyc2lvbj0iMS4wIiBlbmNvZGluZz0iVVRGLTgiPz4KPCFET0NUWVBFIHBsaXN0IFBVQkxJQyAiLS8vQXBwbGUvL0RURCBQTElTVCAxLjAvL0VOIiAiaHR0cDovL3d3dy5hcHBsZS5jb20vRFREcy9Qcm9wZXJ0eUxpc3QtMS4wLmR0ZCI + CjxwbGlzdCB2ZXJzaW9uPSIxLjAiPgo8ZGljdD4KCTxrZXk + Q1RGb250Q29weXJpZ2h0TmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5EZXNpZ24gMjAwMSBieSBIYW5zIEp1cmcgSHVuemlrZXI8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250RmFtaWx5TmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5TaWVtZW5zIFNhbnMgT1Q8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250RnVsbE5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + U2llbWVucyBTYW5zIE9UIEJvbGQ8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250R2V0R2x5cGhDb3VudDwva2V5PgoJPGludGVnZXI + NTgyPC9pbnRlZ2VyPgoJPGtleT5DVEZvbnRQb3N0U2NyaXB0TmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5TaWVtZW5zU2Fuc09ULUJvbGQ8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250U3ViRmFtaWx5TmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5Cb2xkPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PkNURm9udFRyYWRlbWFya05hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + UGxlYXNlIHJlZmVyIHRvIHRoZSBDb3B5cmlnaHQgc2VjdGlvbiBmb3IgdGhlIGZvbnQgdHJhZGVtYXJrIGF0dHJpYnV0aW9uIG5vdGljZXMuPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PkNURm9udFVuaXF1ZU5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + MS4wMDA7VUtXTj tTaWVtZW5zU2Fuc09ULUJvbGQ8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250VmVyc2lvbk5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + VmVyc2lvbiAxLjAwMDtQUyA0LjAwO0NvcmUgMS4wLjM1PC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PmJvbGQgdHJhaXQ8L2tleT4KCTx0cnVlLz4KCTxrZXk + Y29uZGVuc2VkIHRyYWl0PC9rZXk + Cgk8ZmFsc2UvPgoJPGtleT5leHRlbmRlZCB0cmFpdDwva2V5PgoJPGZhbHNlLz4KCTxrZXk + ZnVsbCBuYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPlNpZW1lbnMgU2FucyBPVCBCb2xkPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5Pml0YWxpYyB0cmFpdDwva2V5PgoJPGZhbHNlLz4KCTxrZXk + bW9ub3NwYWNlZCB0cmFpdDwva2V5PgoJPGZhbHNlLz4KCTxrZXk + cG9zdHNjcmlwdE5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + U2llbWVuc1NhbnNPVC1Cb2xkPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PnByb3BvcnRpb24gdHJhaXQ8L2tleT4KCTxyZWFsPjAuMDwvcmVhbD4KCTxrZXk + c2xhbnQgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxyZWFsPjAuMDwvcmVhbD4KCTxrZXk + dmVyc2lvbjwva2V5PgoJPHN0cmluZz5WZXJzaW9uIDEuMDAwO1BTIDQuMDA7Q29yZSAxLjAuMzU8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + dmVydGljYWwgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxmYWxzZS8 + Cgk8a2V5PndlaWdodCB0cmFpdDwva2V5PgoJPHJlYWw + MC40MDAwMDAwMDU5NjA0NjQ0ODwvcmVhbD4KPC9kaWN0Pgo8L3BsaXN0Pgo =
  • PD94bWwgdmVyc2lvbj0iMS4wIiBlbmNvZGluZz0iVVRGLTgiPz4KPCFET0NUWVBFIHBsaXN0IFBVQkxJQyAiLS8vQXBwbGUvL0RURCBQTElTVCAxLjAvL0VOIiAiaHR0cDovL3d3dy5hcHBsZS5jb20vRFREcy9Qcm9wZXJ0eUxpc3QtMS4wLmR0ZCI + CjxwbGlzdCB2ZXJzaW9uPSIxLjAiPgo8ZGljdD4KCTxrZXk + Q1RGb250Q29weXJpZ2h0TmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz7CqSAyMDA2IE1pY3Jvc29mdCBDb3Jwb3JhdGlvbi4gQWxsIFJpZ2h0cyBSZXNlcnZlZC48L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250RGVzY3JpcHRpb25OYW1lPC9rZXk + 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 luZyBoYW5kcywgdGhlIFdpbmdkaW5ncyBmb250cyBhbHNvIG9mZmVyIGFycm93cyBpbiBjYXJlZnVsIGdyYWRhdGlvbnMgb2Ygd2VpZ2h0IGFuZCBkaWZmZXJlbnQgZGlyZWN0aW9ucyBhbmQgc3R5bGVzLiBGb3IgdmFyaWV0eSBhbmQgaW1wYWN0IGFzIGJ1bGxldHMsIGFzdGVyaXNrcywgYW5kIG9ybmFtZW50cywgV2luZGluZ3MgYWxzbyBvZmZlcnMgYSB2YXJpZWQgc2V0IG9mIGdlb21ldHJpYyBjaXJjbGVzLCBzcXVhcmVzLCBwb2x5Z29ucywgdGFyZ2V0cywgYW5kIHN0YXJzLjwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5DVEZvbnRGYW1pbHlOYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPldpbmdkaW5nczwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5DVEZvbnRGdWxsTmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5XaW5nZGluZ3M8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250R2V0R2x5cGhDb3VudDwva2V5PgoJPGludGVnZXI + MjI2PC9pbnRlZ2VyPgoJPGtleT5DVEZvbnRMaWNlbnNlTmFtZU5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + WW91IG1heSB1c2UgdGhpcyBmb250IGFzIHBlcm1pdHRlZCBieSB0aGUgRVVMQSBmb3IgdGhlIHByb2R1Y3QgaW4gd2hpY2ggdGhpcyBmb250IGlzIGluY2x1ZGVkIHRvIGRpc3BsYXkgYW5kIHByaW50IGNvbnRlbnQuICBZb3UgbWF5IG9ubHkgKGkpIGVtYmVkIHRoaXMgZm9udCBpbiBjb250ZW50IGFzIHBlcm1pdHRlZCBieSB0aGUgZW1iZWRkaW5nIHJlc3RyaWN0aW9ucyBpbmNsdWRlZCBpbiB0aGlzIGZvbnQ7IGFuZCAoaWkpIHRlbXBvcmFyaWx5IG Rvd25sb2FkIHRoaXMgZm9udCB0byBhIHByaW50ZXIgb3Igb3RoZXIgb3V0cHV0IGRldmljZSB0byBoZWxwIHByaW50IGNvbnRlbnQuPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PkNURm9udE1hbnVmYWN0dXJlck5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + TWljcm9zb2Z0IFR5cG9ncmFwaHk8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250UG9zdFNjcmlwdE5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + V2luZ2RpbmdzLVJlZ3VsYXI8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250U3ViRmFtaWx5TmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5SZWd1bGFyPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PkNURm9udFRyYWRlbWFya05hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + V2luZ2RpbmdzIGlzIGVpdGhlciBhIHJlZ2lzdGVyZWQgdHJhZGVtYXJrIG9yIGEgdHJhZGVtYXJrIG9mIE1pY3Jvc29mdCBDb3Jwb3JhdGlvbiBpbiB0aGUgVW5pdGVkIFN0YXRlcyBhbmQvb3Igb3RoZXIgY291bnRyaWVzLiA8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250VW5pcXVlTmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5XaW5nZGluZ3MgUmVndWxhcjogTVM6IDIwMDY8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250VmVuZG9yVVJMTmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5odHRwOi8vd3d3Lm1pY3Jvc29mdC5jb20vdHJ1ZXR5cGUvZm9udHMvd2luZ2RpbmdzLzwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5DVEZvbnRWZXJzaW9uTmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5WZXJzaW9uIDUuMDM8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Ym9sZCB0cmFpdDwva2V5PgoJPGZhbHNlLz4KCTxrZXk + Y29uZGVuc2 VkIHRyYWl0PC9rZXk + Cgk8ZmFsc2UvPgoJPGtleT5leHRlbmRlZCB0cmFpdDwva2V5PgoJPGZhbHNlLz4KCTxrZXk + ZnVsbCBuYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPldpbmdkaW5nczwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5pdGFsaWMgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxmYWxzZS8 + Cgk8a2V5Pm1vbm9zcGFjZWQgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxmYWxzZS8 + Cgk8a2V5PnBvc3RzY3JpcHROYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPldpbmdkaW5ncy1SZWd1bGFyPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PnByb3BvcnRpb24gdHJhaXQ8L2tleT4KCTxyZWFsPjAuMDwvcmVhbD4KCTxrZXk + c2xhbnQgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxyZWFsPjAuMDwvcmVhbD4KCTxrZXk + dmVyc2lvbjwva2V5PgoJPHN0cmluZz5WZXJzaW9uIDUuMDM8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + dmVydGljYWwgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxmYWxzZS8 + Cgk8a2V5PndlaWdodCB0cmFpdDwva2V5PgoJPHJlYWw + MC4wPC9yZWFsPgo8L2RpY3Q + CjwvcGxpc3Q + Cg ==
  • PD94bWwgdmVyc2lvbj0iMS4wIiBlbmNvZGluZz0iVVRGLTgiPz4KPCFET0NUWVBFIHBsaXN0IFBVQkxJQyAiLS8vQXBwbGUvL0RURCBQTElTVCAxLjAvL0VOIiAiaHR0cDovL3d3dy5hcHBsZS5jb20vRFREcy9Qcm9wZXJ0eUxpc3QtMS4wLmR0ZCI + CjxwbGlzdCB2ZXJzaW9uPSIxLjAiPgo8ZGljdD4KCTxrZXk + Q1RGb250Q29weXJpZ2h0TmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5EZXNpZ24gMjAwMSBieSBIYW5zIEp1cmcgSHVuemlrZXIgPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PkNURm9udEZhbWlseU5hbWU8L2tleT4KCTxzdHJpbmc + U2llbWVucyBTYW5zIE9UPC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PkNURm9udEZ1bGxOYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPlNpZW1lbnMgU2FucyBPVDwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5DVEZvbnRHZXRHbHlwaENvdW50PC9rZXk + Cgk8aW50ZWdlcj41ODI8L2ludGVnZXI + Cgk8a2V5PkNURm9udFBvc3RTY3JpcHROYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPlNpZW1lbnNTYW5zT1QtUmVndWxhcjwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5DVEZvbnRTdWJGYW1pbHlOYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPlJlZ3VsYXI8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250VHJhZGVtYXJrTmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5QbGVhc2UgcmVmZXIgdG8gdGhlIENvcHlyaWdodCBzZWN0aW9uIGZvciB0aGUgZm9udCB0cmFkZW1hcmsgYXR0cmlidXRpb24gbm90aWNlcy48L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Q1RGb250VW5pcXVlTmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz4xLjAwMDtVS1 dOO1NpZW1lbnNTYW5zT1QtUmVndWxhcjwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5DVEZvbnRWZXJzaW9uTmFtZTwva2V5PgoJPHN0cmluZz5WZXJzaW9uIDEuMDAwO1BTIDQuMDA7Q29yZSAxLjAuMzU8L3N0cmluZz4KCTxrZXk + Ym9sZCB0cmFpdDwva2V5PgoJPGZhbHNlLz4KCTxrZXk + Y29uZGVuc2VkIHRyYWl0PC9rZXk + Cgk8ZmFsc2UvPgoJPGtleT5leHRlbmRlZCB0cmFpdDwva2V5PgoJPGZhbHNlLz4KCTxrZXk + ZnVsbCBuYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPlNpZW1lbnMgU2FucyBPVDwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5pdGFsaWMgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxmYWxzZS8 + Cgk8a2V5Pm1vbm9zcGFjZWQgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxmYWxzZS8 + Cgk8a2V5PnBvc3RzY3JpcHROYW1lPC9rZXk + Cgk8c3RyaW5nPlNpZW1lbnNTYW5zT1QtUmVndWxhcjwvc3RyaW5nPgoJPGtleT5wcm9wb3J0aW9uIHRyYWl0PC9rZXk + Cgk8cmVhbD4wLjA8L3JlYWw + Cgk8a2V5PnNsYW50IHRyYWl0PC9rZXk + Cgk8cmVhbD4wLjA8L3JlYWw + Cgk8a2V5PnZlcnNpb248L2tleT4KCTxzdHJpbmc + VmVyc2lvbiAxLjAwMDtQUyA0LjAwO0NvcmUgMS4wLjM1PC9zdHJpbmc + Cgk8a2V5PnZlcnRpY2FsIHRyYWl0PC9rZXk + Cgk8ZmFsc2UvPgoJPGtleT53ZWlnaHQgdHJhaXQ8L2tleT4KCTxyZWFsPjAuMDwvcmVhbD4KPC9kaWN0Pgo8L3BsaXN0Pgo =
  • конечный поток эндобдж 3 0 obj > эндобдж 5 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / Shading> / XObject >>> / TrimBox [0.ի W] 3tiw-> ~) ʹh + S * FT {!: @ K [h ~ A2 q_ # ɂ] ֻ ~? W΁d ̹ Конденсатор $ 8 / si’n6dCX S2 8 S

    — Как работает эта схема RC-генератора импульсов?

    Вздох. Еще одна плохая штука с Беном Пожирателем.

    Как это работает:

    • Изначально шапка изначально разряжена через R1 и R2 и находится на 5В. На выходе тоже 5В.
    • Замкните выключатель, разряженный колпачок мгновенно заземлится. Это также приводит к заземлению правой стороны — выхода.
    • Пока переключатель замкнут, крышка заряжается через 680 Ом до напряжения питания.Время зарядки составляет 1.1RC, или около 750 нс.

    А вот еще одна причина, по которой видео с Ben Eater вызывают такие пожары в мусорных контейнерах:

    • Когда переключатель размыкается, 1k быстро подтягивает левую сторону крышки. Между тем, правая сторона — выход — превышает 7 В, а затем снова разряжается до 5 В через 680 и 1 кОм.

    Угадайте, что? Вы только что поджарили свою фишку (или, если вы ударьте по ней достаточно много раз с этим положительным всплеском, у вас , в конечном итоге, будет ). Почему? 7 В (Vcc + 2.0 В) — это абсолютный максимальный рейтинг для любого ввода / вывода на этом чипе, и эта схема превышает это значение. Кроме того, в «Рекомендуемых условиях эксплуатации » указано, что Vi (h) должно быть Vcc + 0,3 В максимум .

    Это означает, что производитель микросхемы не хочет, чтобы в игру вступали защитные диоды от электростатического разряда, если, как вы знаете, микросхема не нуждается в защите от действительного электростатического разряда.

    Короче говоря, Ben Eater показал вам плохую конструкцию, которая нагружает чип.

    Вот что-то, чего не будет (смоделируйте это здесь):

    Диод фиксирует положительное напряжение при отпускании кнопки, чтобы оно не попало на микросхему и не повредило ее.

    Вы можете сколько угодно утверждать, что у самого чипа есть защита, но этого может быть недостаточно, и когда дело доходит до дела, паспорт производителя является руководящим документом. Без улавливающего диода этот импульсный генератор является предельным и выходит за пределы как абсолютного максимума, так и рекомендуемых характеристик.


    Да, и еще кое-что: Switch bounce . Бену повезло с его образцом (или, по крайней мере, с тем, что он хотел показать на видео), но в реальном мире? Они будут колебаться в течение нескольких миллисекунд, прежде чем успокоятся. Подробнее здесь: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/switch-bounce-how-to-deal-with-it/

    Цепи центрального генератора образов беспозвоночных

    Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 12 августа 2010 г .; 365 (1551): 2329–2345.

    Институт нелинейных наук Калифорнийского университета, Сан-Диего, Ла-Хойя, Калифорния 92014-0402, США

    Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

    Abstract

    В настоящее время существует достаточное количество схем центрального генератора паттернов (CPG) беспозвоночных, описанных достаточно подробно, чтобы можно было механистически объяснить, как они работают. Эти небольшие цепи представляют собой наиболее понятные нейронные цепи, с помощью которых можно исследовать, как синаптические связи между клетками и проводимость отдельных каналов объединяются, чтобы генерировать ритмичный и структурированный выходной сигнал. В этом обзоре обсуждаются некоторые из основных уроков, извлеченных из этого анализа, и описываются конкретные примеры схем от однофазных до многофазных.Хотя ясно, что клеточные компоненты любого CPG в основном одинаковы, топология цепей развивалась независимо, чтобы соответствовать конкретным двигательным требованиям каждого отдельного организма, и возникло лишь несколько общих принципов работы цепей. Принципиальная полезность малых систем по отношению к мозгу состоит в том, чтобы подробно продемонстрировать, как клеточная инфраструктура может быть использована для создания ритмичности и формирования специализированных паттернов таким образом, чтобы можно было предположить, как подобные процессы могут происходить в более сложных системах.Но также обсуждаются некоторые проблемы и проблемы, связанные с применением данных, полученных от препаратов беспозвоночных, к мозгу. Наконец, я обсуждаю, почему полезно иметь четко определенные схемы, с помощью которых можно исследовать различные вычислительные модели, которые можно проверить экспериментально и, возможно, применить к цепям мозга, когда станут доступны детали таких схем.

    Ключевые слова: CPG беспозвоночных, нейронные цепи, нейронное моделирование, двигательные паттерны, ритмическое поведение

    1.Введение

    Строгое понимание механизмов, лежащих в основе функции нервных цепей, остается одной из самых сложных проблем в нейробиологии. Чтобы изучить функцию цепей в головном мозге, потребуется охарактеризовать миллиарды нейронов и триллионы синаптических связей, которые образуют функциональные нейронные цепи. Это долгосрочная, но стоящая цель, поскольку весьма вероятно, что только благодаря пониманию таких нейронных цепей мы сможем понять сенсорные, когнитивные и моторные функции, которые выполняет мозг.Поскольку это задача, которая кажется непосильной при использовании доступных в настоящее время технологий, многие предположили, что есть другие способы понять такие сложные взаимодействия, не запутываясь в сорняках клеточной и синаптической инфраструктуры, то есть делая предположения о деталях. С другой стороны, существует огромное количество данных на клеточном уровне, которые не были включены в исследование нейронных цепей просто потому, что это невозможно сделать. У нас есть огромное количество редукционистских данных из исследований мозга, которые очень надежны, но у нас еще нет схемы, на которую можно было бы их повесить.Об этом разрыве между системами и знаниями на клеточном уровне написано много, но мы не можем сказать, что были предложены какие-либо действенные методы преодоления разрыва в центральной нервной системе (ЦНС) позвоночных. Вместо этого системная биология пошла по пути, который предполагает, что в этом нет необходимости. Компьютерные нейробиологи предприняли такие проекты, как моделирование одного кортикального столба (Markram 2006). Идея создания даже небольшого «искусственного мозга» популярна в прессе и предполагает, что мы уже в достаточной степени преодолели разрыв таким образом, что достаточная часть нейронных цепей в корковом столбце известна и может быть смоделирована.Опасность здесь в том, что поиск новых технологий для описания корковых цепей прекращается (Dudai 2004). Мы не знаем, сколько входов поступает в один кортикальный столбик, их природу или цели. Мы не знаем, сколько существует выходов или передаточную функцию между входами и выходами. Мы не знаем, какие и сколько синаптических связей существуют между нейронами в столбце и т. Д. Можно построить модель, в которой сделаны предположения об этих параметрах, но ничего информативного о том, как работает мозг, не появится, независимо от того, как многие цвета и узоры отображаются при моделировании (даже с музыкальным сопровождением).

    Хотя данные с высоким разрешением о межклеточной связности для микросхем мозга скудны, и отдельные нейроны могут быть идентифицированы только как член класса, в который можно проникнуть только один раз, значительный объем данных о беспозвоночных по этим предметам вряд ли известно исследователям мозга. Хотя я согласен с тем, что для понимания мозга нужно изучать мозг, есть просто некоторые вопросы, на которые нельзя ответить с помощью современных методов. Это особенно верно в отношении попыток заполнить пробелы в наших знаниях между сотовыми данными и производительностью систем.Игнорирование важных данных о беспозвоночных, которые могут помочь преодолеть этот пробел, является недостатком текущих исследований мозга.

    Для изучения и моделирования нейронных цепей экспериментальным путем оказались чрезвычайно полезными генераторы центральных паттернов (CPG) беспозвоночных. Они не только помогли нам определить связанные с этим проблемы, но также, благодаря своим благоприятным экспериментальным характеристикам, предоставили нам примерно такое же глубокое понимание нейронных цепей, какое мы собираемся получить в настоящее время.Для тех, чья первоначальная цель заключалась не в изучении систем беспозвоночных как модели мозга, а в чистой красоте возможности объяснить поведение животных с точки зрения функции нервной системы, усилия, посвященные CPG беспозвоночных, оказались успешными. Чтобы более тщательно изучить общую полезность этой идеи, пора оценить, соответствуют ли системы беспозвоночных параллельным обещаниям, помогая понять ЦНС позвоночных. И если ответ невелик, то следует спросить, стоит ли то, что мы узнали, само по себе.

    Несмотря на некоторые успехи, до сих пор применение экспериментальных методов беспозвоночных к системам с гораздо большим количеством нейронов имело лишь ограниченную ценность. Например, в цепях с 9 или 10 нейронами удаление одного с помощью техники фотоинактивации оказывает немедленное и часто драматическое воздействие на оставшиеся клетки. Удаление одной ячейки из схемы, содержащей тысячи ячеек, вероятно, вообще не даст никакого эффекта. Однако более важным является то, что, несмотря на то, что цепи беспозвоночных используют те же клеточные и молекулярные компоненты, которые присутствуют во всех нервных системах, расположение этих компонентов однозначно соответствует нервно-мышечному растению и поведению каждого животного.Таким образом, даже если разные цепи беспозвоночных являются идиосинкразическими по своей топологии цепей и распределению клеточных свойств, понимание какой-либо конкретной цепи не будет иметь большого значения для понимания цепей в целом. Тем не менее, может быть поучительно изучить кое-что из того, что мы узнали из небольших схем, чтобы увидеть, что может быть применимо к моделированию крупномасштабных схем. Существуют ли определенные комбинации ионных каналов или синаптических механизмов, которые присутствуют во всех CPG, даже если общая схема отличается? Я хотел бы продемонстрировать, что анализ CPG беспозвоночных более четко, чем любые другие нейронные цепи, иллюстрирует, как клеточные, синаптические и сетевые свойства могут работать и пониматься от клеточного до поведенческого уровня.Я также хотел бы предложить некоторые общие принципы, такие как согласованность элементов схемы, которые применимы к CPG.

    2. Некоторые уроки, извлеченные из анализа цепей беспозвоночных

    За последние 40 лет было представлено более или менее полное описание нескольких цепей CPG беспозвоночных. Первоначальное объяснение состояло в том, что как только схема будет известна, механизмы, производящие ритмические всплески двигательной активности, будут следовать относительно простым образом. В этих схемах, где каждый нейрон можно идентифицировать и многократно изучать, мы узнали, что каждый использует уникальный набор потенциалзависимых ионных каналов для достижения индивидуальной идентичности и функции.Более того, каждое синаптическое и электрическое соединение имеет индивидуальные динамические свойства. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, каждая ионная проводимость, электрическое соединение и синаптическое свойство могут быть изменены нейромодулирующими веществами, которые присутствуют в изобилии во всех нервных системах, так что у интактного животного мы даже не можем считать значения параметров постоянными от одного дня к другому. . Тем не менее, если мы рассмотрим каждый CPG в его наиболее экспериментально упрощенном состоянии, мы можем четко объяснить механизмы взрыва и формирования паттернов во многих случаях.Такие «канонические» схемы можно изучать с точки зрения сенсорных и других управляющих входов без необходимости рассматривать CPG как просто черный ящик с запрещенными, но неизвестными отношениями вход-выход.

    Одним из основных преимуществ анализа малых цепей является то, что проводимость клеток, которые легко изучаются в нейронах беспозвоночных, можно связать с ролью, которую играет каждый нейрон в общем функционировании цепи. То есть разрыв между молекулярно-клеточными данными и выходом схемы может быть сокращен.

    На словесном уровне мы можем сказать, что понимаем, как колеблется контур и как производятся всплески, которые прямо или косвенно вызывают сокращение мышц в поведенчески значимых последовательностях. Чтобы получить более количественное описание механизмов CPG, требуется моделирование. Для этого, вероятно, менее важно найти правильный вычислительный алгоритм (вероятно, его нет), чем определить, на каком уровне моделировать. Одна из самых больших проблем, как я писал ранее (Selverston 1980), заключается в том, что нетривиально и чрезвычайно сложно описать и предсказать множественные нелинейные взаимодействия.Следовательно, модель должна быть представлением, которое фиксирует нелинейные свойства каждого нейрона и синапса, и для этого мы должны знать свойства каждой потенциалзависимой проводимости, в частности их ограничения активации и инактивации.

    Из всех схем, которые были исследованы до сих пор, только небольшие CPG беспозвоночных приблизились к тому, чтобы иметь достаточно данных на клеточном уровне для достаточно точного моделирования. В некоторых случаях описаны почти все клеточные и синаптические свойства, сетевая архитектура и природа химической среды, включая эффекты нейромодуляторов.Используя эти данные, компьютерное моделирование может быть выполнено без большого количества предположений, необходимых для крупномасштабного моделирования. Мы можем описать, когда и почему срабатывает каждый нейрон, и его влияние на другие нейроны в цепи, то есть мы можем объяснить источник ритма и формирование последовательной активности. Однако мы не можем сказать, что появились первые принципы, как в физических науках, которые могут служить основой для понимания более сложных мозговых цепей, и я не уверен, что они когда-либо появятся.Поэтому, возможно, пришло время оценить, почему это может быть так и что могут предложить будущие технологические достижения.

    Привлекательные черты препаратов беспозвоночных, большие клетки, ограниченное количество, идентифицируемость подсказали многим, что возможно полное детерминированное объяснение ритмического поведения. Например, было предложено, чтобы полностью понять нейронную цепь, в основном необходимо решить четыре проблемы (Yuste 2008).

    • — Какие клетки задействованы? — их анатомия, физиология и молекулярные характеристики.

    • — Как ячейки связаны друг с другом?

    • — Какой вычислительный алгоритм они используют?

    • — Как схема ведет себя как динамическая система?

    Эти термины предполагают, что нейроны ведут себя как жесткие части компьютера и могут использовать фиксированный алгоритм, что, конечно, вызывает сомнения.

    К этим задачам я бы добавил:

    Можно ли изолировать цепь от остальной нервной системы таким образом, чтобы ее поведение не изменилось фундаментально?

    Первым толчком к изучению цепей CPG беспозвоночных было то, что они казались наиболее экспериментально пригодными для использования в качестве связующего звена между нейронной активностью и поведением.Также было ясно, что повторяющиеся циклические движения были более выгодными экспериментально, чем поведение, которое происходило только один раз или эпизодически. Моторные системы также обладали тем преимуществом, что обходили вопрос о том, как сенсорная информация кодируется отдельными нейронами и популяциями нейронов. Как этот код используется различными центрами ЦНС и, наконец, декодируется в представления, значимые для животного, — гораздо более сложная задача, чем наблюдение повторяющихся последовательностей мышечных сокращений, лежащих в основе определенного ритмического поведения.Понимание связи между нейронной активностью и конкретным поведением действительно по-прежнему является основной целью многих нейрофизиологов-сравнителей.

    Первоначально наиболее важными данными для понимания этих цепей было получение микроструктуры путем сначала физиологической идентификации вовлеченных нейронов, а затем их синаптических связей. Нейронные корреляты поведения можно было определить, записывая данные с мышц или нервов интактного животного, пока поведение продолжалось, и затем сравнивая выходные данные изолированного препарата ЦНС (фиктивный паттерн) с фактическим поведенческим паттерном.Общее предположение заключалось в том, что, поняв микроскопическое расположение компонентов, мы поймем их макроскопическое поведение. Мы надеемся, что этот подход приведет к раскрытию общих принципов, применимых также к поведению сложных мозговых цепей. Конечно, это правда, что модели шариков и палочек, хотя и абсолютно необходимы, недостаточны для объяснения механизмов, которые создают выходной паттерн, потому что они неполны с точки зрения индивидуальных свойств клетки и синапсов.В этом обзоре я буду рассматривать только базовые или «канонические» схемы и их выходы. In vivo , каждый находится под сильным влиянием сенсорной обратной связи и механизмов контроля из высших центров или связей с другими CPG. Кроме того, нейромодуляция играет важную роль в изменении функциональной связности цепей и, следовательно, их выходов (Harris-Warrick 1988). Однако все входные данные действуют по базовой канонической схеме, фундаментальное понимание которой поэтому необходимо.

    3. Изоляция структуры cpg

    Ранние дебаты о том, как нервная система производит ритмическое поведение, сосредоточились на том, были ли циклические всплески активности двигательных нервов результатом ритмической сенсорной обратной связи, вызванной движением, то есть рефлексами, или генерируются независимо от ритмических входов, т.е. производятся автономно. Спор был окончательно решен, когда эксперименты по деафферентации саранчи, проведенные Дональдом Уилсоном (Wilson 1961) и другими, показали, что все, что требовалось, — это неритмическая активация ансамбля нейронов, которая стала известна как CPG.Поскольку CPG представлял собой совокупность нейронов с четко определенной функцией, многим нейрофизиологам было очевидно, что он может служить хорошей подготовкой к электрофизиологическому анализу. Большие клетки, меньшее количество клеток и, что наиболее важно, идентифицируемые клетки, которые можно было найти и записать или стимулировать попарно с помощью микроэлектродов, означало, что детальная схема CPG потенциально могла быть обнаружена. Какие характеристики систем беспозвоночных сделали возможным реалистичный анализ CPG и поведения, которое они контролируют? Краткий список будет включать следующее:

    • — возможность найти все нейроны, составляющие CPG;

    • — знание характера входов, которые получает схема CPG;

    • — знание того, как результат выглядит качественно и количественно, и на какие мышцы или исполнительные органы нацелены;

    • — отображение схемы путем многократной стимуляции и записи от двух или более идентифицированных нейронов;

    • — возможность видеть подпороговую и пиковую активность.

    Химическая синаптическая передача у беспозвоночных в целом функционирует так же, как и у позвоночных, и на самом деле именно легкий доступ к пре- и постсинаптическим сайтам записи был главной достопримечательностью первых электрофизиологов, которые не могли легко изучить синаптическую передачу у позвоночных. ЦНС млекопитающих. Периферическое торможение мускулов ракообразных какое-то время было одним из лучших препаратов для исследования механизмов торможения. Таким образом, не будет надуманным рассматривать CPG беспозвоночных в качестве моделей микросхем позвоночных (термин, обозначающий небольшие определенные цепи с определенными функциями).Однако есть отличия. Поскольку количество нейронов беспозвоночных ограничено, один нейрон может играть роль нескольких нейронов позвоночных. Например, торможение в ЦНС позвоночных часто рассматривается как пресинаптическое свойство, поэтому тормозящие интернейроны должны быть вставлены в цепи между возбуждающими нейронами и нейроном, который должен быть подавлен. В течение многих лет мы знали, что нейроны беспозвоночных могут иметь как возбуждающий, так и тормозящий эффекты, а в некоторых случаях и то и другое. Для большинства CPG временные свойства, такие как длина и частота импульсов, должны быть гибкими и изменяться сенсорными рецепторами, тормозными и возбуждающими сигналами от других центров и нейромодуляторами.Поскольку эти свойства аналогичны свойствам мозга, некоторые предположили, что такие простые сети могут служить моделями для сложных нейронных цепей (Welsh & Maynard 1951; Yuste et al . 2005).

    CPG, однако, не следует рассматривать как отдельную сущность от остальной нервной системы. Мы можем думать о CPG как о совокупности нейронов, которые при правильной активации создают фиктивный двигательный паттерн. Существует мало аргументов в пользу того, что CPG составляют основу большинства ритмических форм поведения у животных (Delcomyn 1980).Но у интактного животного ЦПГ — это просто часть ЦНС. С этой точки зрения контрольные параметры CPG постоянно изменяются под воздействием сенсорной обратной связи, нисходящих волокон из высших центров и эффектов нейромодулирующих веществ. В последнем случае было продемонстрировано, что нейроны, которые являются частью одного CPG, могут при соответствующих условиях быть частью другого CPG или участвовать в моторном поведении отдельно от тех, которые контролируются CPG. Фактически, нейромодуляторы могут по крайней мере временно изменить функциональные связи цепи CPG таким образом, чтобы вызвать совершенно другой моторный паттерн, по крайней мере, в лаборатории.Попытка учесть все эти условия при анализе CPG приводит к многократному увеличению сложности системы. Добавление их позже, по одному или группами, после того, как будет определена сама каноническая CPG, — это гораздо более гибкий экспериментальный план. Следует также отметить, что влияние сенсорной обратной связи на различные формы поведения широко варьируется, при этом некоторые формы поведения почти полностью зависят от сенсорных рефлексов для формирования паттернов, в то время как другие действуют баллистически. Это особенно верно в отношении некоторых побегов, которые, однажды начавшись, преломляются для сенсорного контроля.

    Большое значение при определении схемы имеет тот факт, что нейроны беспозвоночных часто идентифицируются от одного препарата к другому, так что, когда анатомические параметры и физиологические характеристики каждого нейрона идентифицируются, нейрон может быть прочно помещен в функциональную цепь. Часто существует более одной каждой идентифицированной ячейки, и для некоторых групп CPG с числовым ограничением можно определить точное количество копий для каждого типа ячейки. Часто нейроны CPG имеют большие размеры и в некоторых препаратах могут быть найдены в одном и том же месте в коллекции нейронов, называемой ганглием.Однако есть некоторые важные различия между нейронами и цепями беспозвоночных и позвоночных.

    • — Сомы нейронов беспозвоночных часто электрически невыносимы, а плотность синаптических рецепторов на их поверхности мала или полностью отсутствует. Это означает, что они часто являются плохим окном в интегрирующие и инициирующие спайки части клетки.

    • — Высвобождение передатчика может быть градуированным, т.е. высвобождение передатчика пропорционально степени пресинаптической деполяризации, а не пульсирующее (следуя пресинаптическому потенциалу действия), хотя оба типа высвобождения могут происходить на отдельных терминалах.

    • — Функция формирования паттерна и функция передачи мышечных сигналов могут выполняться одной и той же группой нейронов, то есть иногда полное отсутствие пула премоторных интернейронов, единственная функция которого заключается в создании ритма и паттерн, а затем запускать двигательные нейроны.

    Несколько других моментов, которые следует упомянуть при рассмотрении проблемы идентификации соты. Чтобы нейрон считался частью CPG, он должен фактически участвовать в формировании паттерна.Часто в ЦНС обнаруживаются нейроны, которые согласованы с паттерном возбуждения, но просто управляются нейроном CPG. Если эти клетки удаляются путем инактивации, они не влияют на выходной паттерн, поскольку они просто следуют за активностью другой клетки. Более сложный вопрос возникает, когда нейрон CPG получает ритмический синаптический сигнал, источник которого неизвестен. Это говорит о том, что некоторые из нейронов CPG еще предстоит найти, то есть цепь является неполной, что является одной из наиболее распространенных и неприятных проблем, возникающих при идентификации компонентных нейронов.

    Возможно, ключом к разблокировке функции нейронной цепи является способность определять точное влияние каждого нейрона на другие нейроны. В принципе, постсинаптический ответ возбуждения любого нейрона можно измерить, и когда цепь работает, можно наблюдать эффект возмущения любой одной клетки на паттерн. Это явление, конечно, может произойти только в том случае, если схема относительно небольшая.

    4. Что будет составлять «понимание» схемы cpg?

    Полное понимание должно включать способность объяснять, как пространственно-временные паттерны поведения производятся схемами, как они включаются и выключаются, как они обрабатывают входные данные от высших центров и сенсорных рецепторов и как они изменяются нейромодуляторами.Возможность предсказать реакцию цепи на возмущения, такие как гиперполяризационные или деполяризующие импульсы на отдельные нейроны, также продемонстрировала бы понимание задействованных механизмов. Чтобы иметь возможность сказать, что мы знаем, как ритм и пространственно-временной паттерн формируются цепью, мы должны знать, как взаимодействуют связность и биофизика клеточных и синаптических свойств. В некоторых случаях мы можем просто описать эти взаимодействия, как мы это делаем сейчас для небольшого числа CPG беспозвоночных.Но поскольку каждый из них уникален, задействованные механизмы уникальны.

    Один из способов продемонстрировать понимание системы — уметь построить ее компьютерную или роботизированную модель. Если вычислительная модель не только имитирует нормальные выходные данные CPG, но также может предсказывать эффекты возмущений, мы, вероятно, понимаем систему, то есть модель сети работает как биологическая сеть и, следовательно, является пояснительной (Calabrese & De Schutter 1992). На более глубоком уровне более количественная теоретическая модель, описываемая как набор фундаментальных принципов, которые решают вопросы стабильности, изменчивости и частоты, или алгоритм того, как вычисление результатов производится в общем, было бы похвальной целью.Все ритмические CPG могут быть математически аппроксимированы как шумные предельные циклы, но предельный цикл для каждого CPG уникален. Динамическое поведение CPG также варьируется, каждый из которых имеет уникальную орбиту и набор бифуркаций. Таким образом, хотя можно полностью понять динамику любого отдельного CPG, всеобъемлющее теоретическое упрощение, охватывающее все CPG, не представляется возможным.

    5. Основы механизмов ЦПГ — ритмогенез и формирование паттернов

    Хотя подробный анализ цепей ЦПГ беспозвоночных не привел к правилам или общим принципам, на которые первоначально надеялись, они продемонстрировали множество новых явлений, которые могут быть полезны для понимания пути действуют более сложные схемы.Эти явления делятся на три большие категории. Во-первых, мы можем рассмотреть количество потенциалзависимых ионных каналов, выраженных каждым нейроном, их плотность и их распределение. Используя различные комбинации этих каналов, каждый нейрон определяет свой собственный профиль сигнатуры, определяющий, как он будет вести себя изолированно и когда он будет встроен в схему. Общее количество таких каналов неизвестно, но молекулярно-генетические исследования показывают, что их количество велико. Если рассматривать только калиевые каналы, то на данный момент описано более 70 (Gutman et al .2005). Во второй категории используемые типы синапсов, передатчиков и нейромодуляторов определяют параметры межклеточной коммуникации. Были описаны сотни веществ, которые способны действовать как нейротрансмиттеры или нейромодуляторы (Kaczmarek & Levitan 1987; Katz 1999). И, в-третьих, способ организации схемы топологически определяет создаваемый образец с точки зрения надежности, стабильности и гибкости. Один из основных уроков, которые можно извлечь из поиска цепей беспозвоночных, заключается в том, что детали матрицы межклеточной связи действительно имеют значение.Связи не существуют как плохо сформированные или случайные, они чрезвычайно упорядочены от животного к животному. Можно только предполагать, как такие определенные цепи достигли своей окончательной формы, но было бы разумно предположить, что ингибирование обеспечивает большую стабильность, чем возбуждение, и что антагонисты наиболее эффективно сочетаются с реципрокным ингибированием. По мере того, как обязанности единичных CPG росли, так что вместо только двух антагонистов в каждом цикле развивался многопоследовательный паттерн, тогда добавлялось больше нейронов.Фазовый паттерн будет контролироваться комбинациями возбуждения, торможения, обратной связи и специальных проводимостей, которые могут точно настроить синаптическую активность, чтобы точно рассчитать время срабатывания каждой клетки.

    Мы много знаем о типах канальных белков, доступных на молекулярном уровне, с точки зрения их свойств активации и инактивации. Зная детали того, как они включены в схемы CPG, мы также можем увидеть, как они используются функционально. Несмотря на большое количество потенциально доступных каналов, не все выражаются или кажутся работающими при нормальных обстоятельствах.Это также верно для многих описанных нейромодуляторов. Эти вещества часто идентифицируются с помощью иммуногистохимии или других относительно простых методов, которые показывают присутствие предполагаемого нейромедиатора или модулятора, но определение того, при каких обстоятельствах он высвобождается или используется in vivo , является гораздо более сложным вопросом. Следовательно, нельзя сказать, является ли описание множества разновидностей типов каналов, нейромодуляторов и т. Д. Триумфом современной технологической классификации или все они действительно используются в то или иное время в течение жизни животного.Удивительно, что такие вопросы не возникают даже после идентификации 75-го варианта калиевого канала. В этом отношении для понимания механизмов CPG теперь может потребоваться только включение наиболее распространенных и надежных каналов и передатчиков / модуляторов, пока не будет точно продемонстрировано, как используются другие.

    6. Компоненты инфраструктуры и моделирование

    Для моделирования нейронных цепей решающее значение имеет уровень детализации. Модели можно строить математически, основываясь исключительно на наблюдаемых явлениях, и при этом воспроизводить многие аспекты моделируемого поведения.Однако тщательная проверка модели часто демонстрирует ошибки в расчетах, которые возникают из-за того, что не учитываются достаточные биологические детали. С другой стороны, включение параметров, которые не имеют отношения к проверяемой гипотезе, тратит впустую вычислительную энергию и мало добавляет ценности объяснению. Хотя утверждалось, что включение всех компонентов в многокомпонентную систему не может объяснить макроскопическое поведение (Anderson 1972), отличительные особенности и функция индивидуально идентифицированных нейронов тесно связаны с видами, количеством и местоположением белков ионных каналов, которые они включают. в их мембраны.Прямая роль, которую играют эти каналы в нейронах, составляющих CPG беспозвоночных, теперь хорошо задокументирована. Принято считать, что биофизические параметры играют роль в формировании паттерна, столь же важную, как и выяснение самой схемы (Мардер, 1998; Аршавский, 2003; Толедо-Родригес, и др., , 2008). Чтобы понять функциональные свойства каждого нейрона в цепи, можно начать с рассмотрения каждого нейрона как tabula rasa , к которой были добавлены белки каналов и рецепторов.Одним из основных преимуществ работы с идентифицируемыми нейронами является то, что каждый из них имеет совокупность белков, которая придает им практически идентичные свойства у каждого животного. Это примечательно, потому что это означает, что после того, как геном и какие-либо дополнительные геномные директивы запрограммировали клетку, другие механизмы должны иметь возможность поддерживать эти параметры постоянными (гомеостаз), позволяя при этом изменять параметры, необходимые для обучения и памяти. CPG беспозвоночных не демонстрируют большой гибкости того типа, который может быть связан с обучением и памятью.Поэтому я не буду касаться синаптической пластичности (LTP или STDP) или других важных процессов, таких как развитие и рост, которые необходимо учитывать при оценке функции других частей ЦНС.

    Хотя изменения в синаптической функции, которые могут быть связаны с обучением и памятью, не были обнаружены, на цепи CPG, как обсуждалось ранее, могут временно воздействовать нейромодуляторы. По мере добавления инфраструктуры каждый нейрон приобретает индивидуальность, соответствующую его роли как члена цепи.Таким образом, он может взорваться автономно или беззвучно, может сильно срабатывать после гиперполяризации и т. Д. Функции этих каналов могут быть дополнительно изменены с помощью нейромодуляторов, которые изменяют индивидуальность каждой клетки и позволяют одной цепи выполнять множество различных функций. Но опять же, важно отметить, что хотя фиктивный паттерн может быть изменен перфузией нейромодуляторов, мы мало знаем о том, как это происходит in vivo . Кинетика управляемых напряжением токов не только служит основой для функционирования отдельных клеток, но и обеспечивает хороший вход в процесс формирования рисунка.

    7. Каналы, управляемые напряжением

    Поскольку в молекулярной биологии и биофизическом анализе ионных каналов был достигнут такой впечатляющий прогресс, вопрос о том, почему на этом уровне так много сложностей, является законным. Чтобы понять, как они так красиво объясняют роль функции каждого отдельного нейрона, нужно понять один из главных успехов анализа цепей беспозвоночных. Подробное обсуждение всех известных каналов выходит за рамки данной статьи, но логически четкое резюме можно найти в Harris-Warrick (2002).Некоторые из наиболее важных каналов и их токи:

    • I Na : быстрый натриевый ток, ответственный за деполяризующую фазу потенциала действия.

    • I K (В) : ток выпрямителя с задержкой, который реполяризует мембрану после всплеска и отвечает за гиперполяризацию после всплеска, которая может ограничивать частоту всплеска.

    • I L : ток утечки покоя, в основном калий, который может устанавливать уровень пороговой активности, таким образом определяя, является ли покоящийся нейрон безмолвным или тонически активным.

    • I A : Большое семейство переходных K-токов и каналов, активируемых деполяризацией, которые можно использовать для задержки начала всплеска или дальнейшей деполяризации.

    • I H : Активированный гиперполяризацией входящий ток, который может действовать как ток кардиостимулятора, ответственный за размер постингибиторного отскока (PIR).

    • I Na (P) : постоянный натриевый ток, который поддерживает мембрану в рабочем состоянии, определяет длину потенциалов плато, но также может играть роль кардиостимулятора в дыхательной системе позвоночных (Смит и др. .2000).

    8. Каналы, не активируемые напряжением

    • I K (M) : По всей видимости, контролируется ацетилхолином (Ach), так как его максимальная проводимость снижается мускарином.

    • I K (Ca) : активируемый кальцием калиевый ток, который может прекращать всплески при повышении внутреннего Ca в результате активности; следовательно, автономный механизм прерывания пакетов.

    • I CAN : неспецифический входящий ток, активируемый кальцием

    Лиганд-управляемые каналы: Их слишком много, чтобы включить сюда, но активированные глутаматом хлоридные каналы и никотиновые калиевые каналы обычные.Существует также множество примеров совместной передачи — два или более передатчика, высвобождаемых из одного пресинаптического терминала, и другие случаи, когда обычный передатчик высвобождается вместе с нейромодулирующим веществом.

    9. Синаптические свойства

    Полярность: обычно тормозящая (I) или возбуждающая (E), но много примеров бимодальных синапсов (E – I) или (I – E) и даже тримодальных (E – I – E). Кинетические свойства обычно являются результатом свойств рецепторного канала.

    Сила: эффективность синапса часто слишком сложно измерить количественно, потому что терминалы удалены от сомы, где измеряется постсинаптический ответ, и сопротивление мембраны между этими точками неизвестно.Относительная сила может быть измерена как функция того, насколько эффективна пресинаптическая клетка в прекращении постсинаптического возбуждения (если оно тормозящее) или в активации постсинаптической клетки (если возбуждающее).

    Кинетика постсинаптического ответа: кинетика включает не только время высвобождения передатчика, время связывания и высвобождения, но также прямое воздействие передатчика на некоторые каналы и запуск некоторых проводимостей каналов в результате напряжения. отклик.

    Нелинейные ответы: фасилитация и депрессия — с точки зрения функции эти нелинейные изменения синаптической эффективности могут играть ключевую роль в определении паттерна возбуждения.

    Электрические синапсы: выпрямляющие или омические — широко распространенные в цепях беспозвоночных, эти прямые связи между клетками обычно используются для обеспечения синхронности, но есть много примеров, когда возникают более сложные взаимодействия.

    Постепенное высвобождение: передатчик, высвобождающийся в результате плавной функции пресинаптической терминальной деполяризации, особенно важен для осцилляторных нейронов и пресинаптических нейронов без всплесков.

    10. Основные свойства схемы — механизмы ритмогенеза

    (a) Собственные колебания, вызванные импульсами

    Со времен элегантных экспериментов Барбары Алвинг на полностью изолированном нейроне R15 Aplysia (Alving 1968) мы знали, что этот одиночный нейроны обладают внутренней способностью к разрыву. В Aplysia механизмы генерации всплесков, по-видимому, включают высокий уровень покоя G Na и периодически изменяющийся G K (Карпентер 1973; Смит и др. .1975), но существуют и другие механизмы. Когда такие нейроны надлежащим образом связаны с другими нейронами, они могут управлять большими сетями не взрывающихся клеток или захватывать другие нейроны-взрыватели. Если группа нейронов водителя ритма связана с электрическими и / или возбуждающими химическими синапсами, они будут синхронизироваться, образуя чрезвычайно надежный и устойчивый CPG, устойчивый к временным пертурбациям.

    Свойства собственной проводимости, задающие частоту и другие параметры:

    • — Потенциал кардиостимулятора — собственные самогенерируемые потенциалы;

    • — Ток кардиостимулятора, I H , ток деполяризации, активируемый гиперполяризацией;

    • — Длина всплеска, I Na-P , потенциалы плато;

    • — Адаптация частоты всплесков;

    • — Уровень порога шипа (бесшумный или тонизирующий).

    11. Сетевой всплеск

    • — Взаимное возбуждение: прекращение I K-Ca или накопленная гиперполяризация. Дает синфазную синхронизацию;

    • — Реципрокное торможение: требует тонического возбуждения клеток или тонического возбуждения. Прекращение взрыва синаптической депрессией. Обеспечивает противофазную синхронизацию;

    • — Периодическое торможение тонизирующего возбуждения;

    • — Периодическое возбуждение молчаливых клеток.

    12. Механизмы регулировки фазового соотношения

    • — Синфазная синхронизация

      1. Омикорезистивная муфта;

      2. муфта резистивная выпрямительная;

      3. взаимное возбуждение.

    • — Противофазная синхронизация

      1. реципрокное ингибирование;

      2. периодическое подавление тонизирующего возбуждения.

    • — Задержка следующей фазы

      1. прибавка I A ;

      2. Входы I или E для генератора в правильной фазе цикла.

    • — Переход к следующему этапу

      1. прибавка I H ;

      2. Входы I или E для генератора в правильной фазе цикла.

    • — Задержка, за которой следует синхронизированный пакет

    • — соединения с прямой связью, контуры обратной связи;

    • — основные технические механизмы управления колебательными контурами.

    13. Конкретные примеры схем cpg беспозвоночных

    Чтобы проиллюстрировать, как только что описанные компоненты на самом деле используются схемами для создания ритмических двигательных паттернов, мы можем кратко рассмотреть несколько хорошо изученных CPG беспозвоночных.Мы рассмотрим только основные канонические схемы, независимые от ритмических сигналов от сенсорных рецепторов. Мы начнем с относительно простого однофазного ритма, затем перейдем к двух- и трехфазным паттернам и, наконец, опишем несколько с многофазными паттернами. Все это относительно небольшие цепи, в которых можно точно изучить свойства отдельных идентифицированных нейронов и синаптическую топологию их цепей. Учитывая обширный диапазон параметров, которые эволюционировали, интересно, что комбинаторная сложность все еще довольно ограничена, поскольку многие схемы используют почти идентичные механизмы проводимости.

    14. Сердечный узел cpg

    Сердечный узел ракообразных (CG) доставляет ритмические всплески потенциалов действия сердечным мышцам и является превосходным примером схемы с групповой конфигурацией кардиостимуляторов (Cooke 2002). Сердечный контур CPG состоит только из четырех нейронов у десятиногих ракообразных, хотя это число может быть больше у других видов (). Эти нейроны-водители ритма представляют собой небольшие интернейроны, а оставшиеся пять более крупных мотонейронов вместе составляют ансамбль CPG.Когда его снимают с животного, он сильно лопнет в течение нескольких часов.

    Сердечный узел омара. Четыре нейрона со свойствами кардиостимулятора управляют пятью мотонейронами сердца. Тильды представляют собой внутренние свойства всплеска. Резисторы представляют собой электротонную связь.

    Потенциалы кардиостимулятора возникают в более мелких интернейронах, и их синхронизированная активность передается на более крупные нейроны посредством возбуждающих синапсов и электрических соединений. Система, как видно на диаграмме, чрезвычайно проста, и управляющие входы должны только изменять рабочий цикл или частоту пакетов.Ионная основа потенциалов кардиостимулятора неизвестна, но эти потенциалы приводят к возникновению формирующих всплеск потенциалов драйвера (DP) в малых и больших клетках. Когда большие элементы отделены от малых и зафиксировано напряжение, можно показать, что DP состоит из I Ca , несущего входящий ток, и трех выходящих токов K + , I A , медленно инактивирующий I K и активированный кальцием I K-Ca (Tazaki & Cooke 1986, 1990).Токи, связанные с стимуляцией ритма в других системах, I H или постоянный ток Na, I Na-P , к удивлению, не были обнаружены в больших клетках.

    Присутствие подобных эндогенно разрывающихся нейронов теперь обнаружено почти во всех CPG беспозвоночных. Во многих случаях свойства внутреннего взрыва проявляются только при наличии нейромодуляторов, так называемых «условных барстеров». Было высказано предположение, что CPG с такими внутренне разрывающимися нейронами были необходимы для неэпизодического или постоянно активного поведения, которое было менее гибким и требовало избыточных отказоустойчивых механизмов (Получение 1989 a , b ).Если мы рассмотрим животных, которым требуются только двухфазные паттерны, могут возникнуть схемы, требующие очень небольшого количества клеток. В принципе, цепь, в которой один нейрон, задающий ритм, периодически прерывает другой нейрон, возбуждающий тональный сигнал, может производить переменную активность. Надежность вывода можно повысить, добавив PIR к заблокированной ячейке. Более распространенным методом является использование той или иной формы реципрокного торможения между двумя нейронами, возбуждающими тональный сигнал, но эти цепи обычно требуют некоторой формы обобщенного неритмического возбуждающего импульса.Хотя реципрокное ингибирование является чрезвычайно распространенной формой клеточного взаимодействия в CPGs беспозвоночных, обычно не обнаруживается, что оно существует само по себе в CPG. Чаще реципрокное ингибирование встроено в CPG вместе с другими нейронами, образующими гибридные цепи, которые очень стабильны.

    15.

    Плавательный контур Tritonia — двухфазный ритм

    Поведение морского моллюска Tritonia состоит из 5–20 дорсальных и вентральных ритмических сгибаний, вызванных выходом хорошо изученного CPG ().Интернейроны в CPG производят серию чередующихся всплесков в дорсальные и вентральные двигательные нейроны (Getting 1989 b ). Поведение представляет собой фиксированный паттерн действий, то есть после срабатывания он запускается до завершения баллистически с незначительным сенсорным контролем или без него. Хотя в поведении всего две фазы, в CPG есть три основных типа нейронов, которые первоначально были описаны как трехфазная система (Получение 1989 b ), состоящая из реципрокного торможения с параллельным отсроченным возбуждением.Как и для всех CPG, паттерн является результатом синаптической схемы, свойств отдельных синапсов и биофизических свойств каждой клетки. Первоначально Геттинг утверждал, что в схеме не было внутренних прерывателей и что удаление любого одного типа ячеек остановило производство схемы (Получение 1989 a ), но эта идея недавно подверглась пересмотру (Кац и др. . 2004) . Поскольку этот CPG не имел ячеек-бустеров, он считался настоящим сетевым осциллятором , механизм которого можно было понять, разбив его на три фазы (см.):

    • — Когда DSI начинает взрываться в результате возбуждения сенсорных и триггерных нейронов, нейроны C2 и VSI молчат.DSI возбуждают себя и C2, но поскольку у C2 высокий порог, для начала срабатывания требуется 1–4 с;

    • — C2 начинает стрелять и повторно возбуждает DSI, который продолжает стрелять. Он начинает деполяризовать VSI, но это задерживается активацией тока A;

    • — Когда VSI начинает срабатывать, он завершает пакет DSI, и C2 также в конечном итоге блокируется. Когда VSI останавливается, цикл повторяется.

    Итак, хотя реципрокное торможение в принципе могло бы вызывать чередующиеся сгибания и разгибания тела, третий нейрон (C2) вставляет особую задержку, которая точно настраивает антагонизм DSI – VSI таким образом, чтобы способствовать более эффективному поведению к бегству.Вполне вероятно, что схема развивалась таким образом, что учитывались нервно-мышечные растения и эффективность побега. Однако недавняя работа предостерегает этот анализ. Несмотря на то, что все известные нейроны CPG необходимы для существования двигательного паттерна, индивидуальные возмущения любого нейрона неспособны изменить периодичность выхода (Katz et al , 2004). Изменения синаптической динамики в результате передачи сигналов G-белков также могут играть роль в создании паттерна (Clemens & Katz 2003).

    Tritonia CPG. Символы: точки, тормозные синапсы; треугольники, возбуждающие синапсы. DSI, спинной плавательный интернейрон; VS — вентральный плавательный интернейрон; С2 интернейрон.

    16.

    clione — двухфазный гибридный генератор

    Другой двухфазный CPG обнаружен у крылоногого моллюска Clione limacine , «морского ангела» (). Как и Tritonia , две группы премоторных интернейронов, тип 7 ​​и тип 8, связаны реципрокными тормозящими синапсами, и эта схема расположения вместе с сильным PIR возбуждает двигательные нейроны, которые впоследствии вызывают чередующиеся дорсальные и вентральные движения крыльев (Arshavsky et al. al .1985; Саттерли 1985). При медленных частотах взмахов крыльев этих двух групп достаточно, чтобы управлять крыльями, однако при более высоких частотах задействуется третья пара нейронов, называемая типом 12 (), с сильными потенциалами плато, так что, как и в Tritonia , задействованы три группы нейронов. в создании двухфазного ритма. В этом случае функция третьей группы состоит в сокращении цикла активации интернейронов вентральной фазы и одновременном возбуждении интернейронов дорсальной фазы, в результате чего время цикла сокращается, так что возможны более быстрые частоты.Хотя детали проводимости отдельных ячеек для этого CPG неизвестны, с помощью блокировки передатчика было показано, что все они обладают свойствами эндогенного всплеска, представленными тильдами на рисунке. Таким образом, эта схема представляет третью категорию структуры CPG.

    • — В первом случае разрыв сердечного ганглия был полностью результатом эндогенных токов.

    • — Во втором случае, Tritonia , эндогенно разрывающиеся нейроны не были обнаружены, и всплески были эмерджентным свойством сети.

    • — В Clione мы видим, что механизм взрыва предполагает гибридную структуру, в которой свойства клеток и сети вносят вклад в ритмогенную функцию и функцию формирования паттерна.

    Эта тема широко копируется другими CPG беспозвоночных.

    Плавательный CPG в Clione limacine использует сочетание в основном тормозных синапсов (точек) и внутренних механизмов генерации всплесков. Резисторы электрические сопрягающие. Треугольник, возбуждающий химический синапс.

    17.

    lymnaea — трехфазный гибридный образец

    Когда мы переходим к рассмотрению CPG, которые производят более двух фаз активности, уровень сложности и анализа задействованных механизмов может резко возрасти. Например, у прудовой улитки Lymnaea кормовой CPG производит трехфазный ритм, который контролирует фазы вытягивания, скрежета и глотания в поведении устройства для кормления ().

    Lymnaea кормление CPG.Диаграмма, показывающая известные связи между SO, интернейроном модулирующего питания и различными интернейронами CPG. Обозначения как на предыдущих рисунках (подробности см. В тексте).

    Очевидно, что существует только три группы нейронов, составляющих CPG, хотя это основано главным образом на наблюдении за тем, когда они срабатывают во время цикла питания, и фактически каждую из трех групп можно разделить.

    CPG состоит из следующих нейронов:

    • — фаза растяжения: N1M и N1L;

    • — фаза рашпиля: N2d и N2v;

    • — фаза проглатывания: N3p и N3t.

    Цикл питания активируется, когда хемосенсорные нейроны в губах активируются и запускают модуляторный нейрон, называемый медленным осциллятором (SO), и нейрон-транспортир N1M. Хотя первоначально считалось, что N1 являются эндогенными барстерами (Benjamin & Elliott 1989), более поздние исследования культивируемых нейронов, по-видимому, предполагают, что N1M вместо этого обладает свойствами потенциала эндогенного плато, вызванного деполяризацией от входа SO и возбуждением от N1L (Straub et al. .2002). Механизм, производящий последовательность кормления, следующий:

    • — Когда срабатывают N1, они сначала подавляют, а затем возбуждают N2v, что запускает потенциалы плато в N2v и N2d, поскольку они электрически связаны друг с другом. Этот тип двойного тормозно-возбуждающего действия является другой формой синаптического взаимодействия, которое довольно часто встречается в синапсах беспозвоночных.

    • — Активация N2 завершает потенциалы плато в N1 и SO, поскольку они связаны с реципрокными тормозящими синапсами.Потенциал плато N2v, по-видимому, завершается спонтанно, и когда это происходит, он освобождает N3t и N3p от ингибирования.

    • — Поскольку N3t имеет большой эндогенный ток PIR, он сильно срабатывает и рекрутирует N3p через электротонические связи с глотательными двигательными нейронами. Ингибирование со стороны N3 к N1 задерживает их восстановление от ингибирования N2, и когда N3 останавливаются, может начаться новый цикл.

    Таким образом, хотя временные последовательности активации питающего CPG могут быть более или менее описаны, многие детали реальных задействованных механизмов не ясны.Происхождение ритма, по-видимому, не связано ни с одной особенностью синаптической организации, за исключением, возможно, реципрокного торможения. Активация глотающих интернейронов — это просто освобождение тонически активируемых клеток от торможения и включение PIR для усиления всплесков. Таким образом, этот контур представляет собой паттерн, который действительно «возникает» из сети, ее синаптических свойств и двух очень важных клеточных явлений — плато и PIR.

    18. Сердце пиявки cpg — многофазный многосегментный гибридный генератор

    Еще более сложная схема обнаружена между интернейронами, образующими CPG сердца пиявки ().Как и наша собственная сердечная мышца, сердечная мышца пиявки имеет свой собственный ритм, то есть миогенный, но для нормального функционирования требуется синхронизированная и структурированная нейронная активность. Мышца окружает две продольные сердечные трубки, которые иннервируются сегментарными ганглиями на большей части длины животного. Вместо того чтобы сокращаться синхронно, как сердце ракообразных, сердечная трубка с каждой стороны переключается назад и вперед каждые 20–50 циклов из перистальтического режима в синхронный режим. Задача CPG — координировать все эти действия.

    Нейронная сеть сердцебиения пиявки. Цифры представляют сегменты, в которых расположены тела клеток HN, т.е. есть левый и правый 1, 2 и т. Д. Символы, как указано ранее.

    Используются два типа нейронов; мотонейроны (HE), которые захватывают сердечную мышцу, но не играют роли во времени, и интернейроны (HN), которые составляют CPG. Время определяется двумя парами HN в ганглиях 3 и 4, которые связаны реципрокным торможением. Как мы видели ранее, эта фундаментальная схема может производить чередующиеся всплески, но, как мы также видели, этот механизм можно сделать более надежным и регулярным, если нейроны также являются собственными барстерами, как в этом случае (Цимбалюк и др. .2002). Две пары нейронов в первых двух ганглиях (HN1 и HN2) образуют взаимные тормозящие связи с HN3 и HN4 с каждой стороны, и вместе все четыре пары составляют временную сеть для всей системы. Сразу должно быть очевидно, что попытка определить выходной сигнал цепи непроста и еще более усложняется из-за нейронов HN в пятом-седьмом ганглиях, которые составляют « коммутационную сеть », которая контролирует, какая сердечная трубка сокращается в перистальтическая волна, которая сужается равномерно.Выход трех-седьмого ганглиев подавляет тонически активируемые нейроны HE таким образом, чтобы это можно было осуществить. Эксперименты по фиксации напряжения показали, что токи, лежащие в основе всплеска, состоят из быстрого I Na для всплесков, двух низкопороговых I Ca с, один с быстрым, а другой с медленным временем инактивации и I A , постоянный и запаздывающий ток типа выпрямителя, I H , I Na-P и смешанный ток Na + / K + (Кристан и др. .2005).

    Исключительно тормозящие взаимодействия между временными интернейронами опосредуются этими токами. Градиентный ингибирующий компонент опосредуется низкопороговыми токами Ca ++ (Angstadt & Calabrese, 1991) и спайк-опосредованным компонентом, переносимым высокопороговым током Ca ++ (Иванов и Калабрез, 2000). Поскольку спайковая передача продолжается во время всплеска, а токи с низким порогом инактивируются, исследования моделирования показали, что реципрокное торможение использует как ускользание, так и освобождение (Rinzel & Ermentrout 1989) для поддержания всплеска.Ускользание происходит из-за медленной активации I h и высвобождения из-за медленной инактивации медленно инактивирующегося I Ca в разрывном нейроне. Исследования моделирования также показали, что I h может играть ключевую роль в регулировании периода цикла с помощью отрицательной обратной связи. Все, что произвело более длинный период цикла, увеличивает I h , таким образом сокращая период, и все, что сокращает период, делало наоборот.

    Интернейроны HN в ганглиях 1 и 2 играют интересную координирующую роль для временной сети. Они не активируют двигательные нейроны, но вместо этого имеют свои интегративные компоненты в третьем и четвертом ганглиях, где они образуют взаимные ингибирующие связи с HN3 и HN4. Это позволяет им соединять первичные генераторы на каждой стороне вместе, поскольку в остальном они независимы.

    Три другие пары нейронов, HN5 – HN7, являются частью CPG и также весьма интересны тем, что HN5 может действовать как переключатель двух метастабильных состояний сердечных трубок, в то время как HN6 и HN7 являются премоторными и получают двустороннее ингибирование. вход от обоих нейронов HN5.Хотя точный механизм неизвестен, каждый HN5 переключается из активного в полностью беззвучное состояние, что приводит к чередующемуся перистальтическому или синхронизированному поведению сердечных трубок.

    19.

    аплизия кормление — многофазное переключение поведения

    Мы видели, что простым переключением состояния активности в одном нейроне CPG пиявки можно сгенерировать два отдельных поведения. В пиявке еще не определено, как происходит это переключение, за исключением того, что это, вероятно, связано с входом, внешним для схемы CPG.Несколько более сложную форму переключения поведения можно найти в поведении кормления Aplysia (). В течение некоторого времени было известно, что поведение можно разделить, по крайней мере, на три функционально различных формы — кусание, глотание и отторжение (Купферманн, 1974). Такое поведение может быть вызвано стимуляцией одного из двух нейронов более высокого порядка, CBI-2 или CBI-4 (Jing et al , 2004). Основное ядро ​​CPG состоит из двух нейронов, B63 и B64, связанных между собой реципрокными тормозными синапсами (Jing et al .2004 г.). В зависимости от того, какие другие нейроны B40, B30 или B20 (все они возбуждают B8 более близким двигательным нейроном) задействованы, будет производиться один из трех типов поведения. Если CBI-2 стимулируется, а B63 и B40 активируются, возникает укус. Если CBI-4 стимулируется, активируются B63 и B30, и происходит глотание. И если стимулировать и CBI-2, и CBI-4, B63 и B20 сработают, и последует поведение, подобное отторжению. Модель стимуляции может «закодировать» так называемые поведенческие модули (B20, B30 и B40) для получения совершенно другого поведения с использованием одних и тех же групп мышц, т.е.е. те, которые контролируют растяжение, втягивание и закрытие радулы. По сути, есть только три фазы активности, и именно относительное количество времени, затрачиваемого на каждую фазу, определяет, какое поведение будет производиться.

    Цепь питания CPG Aplysia способна кодировать три отдельных модуля, зависящих от поведения. Все символы как описано ранее. Нейроны более высокого порядка (не показаны) могут производить различное циклическое поведение в зависимости от того, какие интернейроны CPG получают возбуждающий сигнал.

    20. Стоматогастральный ганглий — два ритма с 11 фазами

    Два CPG в стоматогастральном ганглии ракообразных, возможно, являются наиболее полно описанными доступными нервными цепями () и являются отличным примером того, как анализ малых систем способствовал развитию исследование ЦНС позвоночных. В ганглии присутствуют два CPG: пилорический и желудочный. Привратник контролирует работу фильтрующего устройства в задней части желудка и желудка, который контролирует набор из трех «зубцов» в желудочной мельнице.В отличие от мышц стенки сердца пиявки, мышцы имеют поперечно-полосатую форму и требуют определенных сигналов от ЦНС для сокращения в правильной последовательности. Поведение per se , вероятно, интересует не более чем горстку зоологов по всему миру. Их полезность заключается в основном в том, что они обладают исключительно благоприятными экспериментальными характеристиками. Пилорическая система состоит из 14 нейронов, которые связаны тормозными и электротоническими синапсами в цепь, топология которой известна уже более 30 лет (Maynard & Selverston 1975).Все нейроны являются условными барстерами (Nagy & Miller 1987; Bal et al , 1988), то есть они обладают внутренними характеристиками взрыва, которые проявляются при воздействии нейромодуляторов, которые обычно присутствуют. Это означает, что систему, которая производит пятифазный двигательный ритм с частотой около 2 Гц, можно рассматривать как сеть связанных осцилляторов, ритм которых определяется внутренними свойствами нейронов и чей пространственно-временной паттерн является возникающим свойством сети. .В отличие от некоторых из предыдущих примеров, пилорические нейроны не только отвечают за ритмический паттерн, но, за исключением одного интернейрона, также действуют как мотонейроны пилорической мускулатуры.

    ( a ) пилорический и ( b ) желудочный CPG контуры, которые составляют стоматогастральную нервную систему лобстера. Символы, как описано ранее, за исключением диодов, обозначающих выпрямительные электротонические соединения. Прямоугольники, показанные на некоторых синаптических связях желудка, представляют собой линии задержки между спайками в пресинаптических нейронах и постсинаптической возбуждающей реакцией.

    CPG желудка состоит из 11 нейронов, один из которых является интернейроном, а остальные — двигательными нейронами, которые посылают аксоны в мускулы желудка, а также являются частью CPG. Обратите внимание, что в этой системе пилорические и желудочные клетки похожи, то есть большинство нейронов CPG играют двойную роль: ингибирующую в ганглии и возбуждающую на периферии. Общий ритм намного медленнее, чем ритм привратника, около 0,1 Гц in vitro . Некоторые из нейронов желудка являются внутренними бластерами, в то время как другие активируются тонически, когда они изолированы.Сложный паттерн синаптических связей, а также свойства отдельных нейронов способствуют формированию шестифазного двигательного паттерна. Хотя эти две цепи контролируют разные части мускулатуры желудка, они связаны друг с другом синаптически связями внутри ганглия и петлями обратной связи от нейронов с функцией эффективного копирования, встроенной в каждую цепь CPG, которая модулирует клетки в парных комиссуральных ганглиях, окружающих пищевод. Эти нейроны обеспечивают структурированное возбуждение как желудочного, так и пилорического контуров.Почему подключены две цепи, каждая с разной частотой, неизвестно. Обе схемы используют многие из уже обсуждавшихся клеточных и синаптических функций. Кроме того, оба они сильно зависят от сенсорной обратной связи и командных волокон. Однако здесь я хочу рассматривать цепи как изолированные, но связанные с более передними парными комиссуральными ганглиями. В таких условиях оба CPG создают устойчивые и регулярные канонические шаблоны пакетной передачи. Таким образом, они составляют основу для дальнейших исследований, касающихся нейромодуляции, сенсорного ввода и т. Д., но без полного описания базовой системы было бы трудно проанализировать роль этих других входных данных.

    Частота пилорического ритма определяется самым быстрым из разрывающихся нейронов, AB, который благодаря своим сильным электротоническим связям с двумя PD, образует единицу кардиостимуляции для всего ритма. Паттерн формируется довольно просто путем одновременного подавления всех других нейронов, особенно LP и восьми нейронов PY. LP-нейрон сначала ускользает от подавления, а затем PY, образуя таким образом базовый трехфазный паттерн, который производит накачивающее действие в пилорической области желудка.Механизмы, с помощью которых достигается фазировка LP и PY, иллюстрируют, как конкретные проводимости (например, сильные различия в величине их A-токов) могут быть эффективно использованы в процессе формирования паттерна. Несмотря на то, что AB и PD используют разные передатчики, их синаптические эффекты на LP и PY одинаковы (Rabbah & Nadim 2007). Однако чем больше размер IPSP, тем раньше начинается фаза всплеска LP, что согласуется с наличием I H .Этот ток заметен в нейроне LP и, как было показано, ответственен за продвижение фазы всплеска LP после гиперполяризации (Harris-Warrick et al . 1995). С другой стороны, увеличение размера IPSP в клетках PY, по-видимому, задерживает фазу всплеска в продолжающемся ритме, предполагая, что повышенная гиперполяризация устраняет инактивацию I A , что приводит к его большей экспрессии, когда клетка деполяризует. Вместе эти два тока могут объяснить разницу во времени восстановления после ингибирования AB / PD.

    Два других пилорических нейрона, которые имеют менее четко определенные действия, — это ВД и IC. Оба они также ингибируются группой PD-AB, и время их всплеска определяется их связями с другими нейронами в CPG. Если мы включим эти два нейрона, CPG привратника производит пятифазный ритм.

    В желудочном мельнице CPG также используется смесь внутреннего взрыва и синаптических связей для создания шестифазного ритма. В мельнице желудка есть три кальцинированных косточки, которые действуют как зубы и открываются и закрываются, как при жевании (Heinzel 1988).Два боковых зубца контролируются нейронами LG, MG и LPG, а один медиальный зубец контролируется нейронами DG, AM и GM. Одиночный интернейрон, Int 1, является общим для каждого подмножества мотонейронов медиальных и боковых зубов. GM и LPG срабатывают тонически, когда мельница не работает, таким образом удерживая боковые зубы в открытом положении, а средний зуб вперед и в сторону, так что пищу можно втиснуть в желудочную мельницу из того места, где она хранится в сердце. мешок (для этого поведения в других ганглиях есть отдельный CPG).Образец жевания состоит из 3-х секундных пачек с частотой около 0,1 Гц. LG и MG срабатывают немного в противофазе, вызывая закрытие боковых зубов с последующим восстановлением медиального зуба нейронами DG и AM. Когда пища удерживается закрытыми боковыми зубами, четыре нейрона GM активируются, натягивая зазубренную поверхность медиального зуба над пищей. Затем этот цикл повторяется. Общая координация обоих подмножеств происходит из-за Int 1, который уносит спонтанные всплески в DG и AM, одновременно подавляя тоническую активность GM.Int 1 сначала ингибирует, а затем возбуждает нейроны LG и MG (Selverston и др. , 2009), и оба они ингибируют LPG.

    Схема каждого подмножества совершенно разная. Подмножество медиальных зубцов имеет слабые петли обратной связи и, по-видимому, представляет собой почти чистую систему прямой связи, то есть отсроченное возбуждение от Int 1 к паре DG / AM и одновременное быстрое ингибирование четырех нейронов GM. Подмножество боковых зубов, однако, состоит из двух реципрокных тормозных петель между Int 1 и парой LG / MG и между парой LG / MG и LPG.Эти контуры управления с обратной связью могут также оказывать некоторый контроль обратно на подмножество медиальных зубов через Int 1 и тормозящий синапс от MG к DG. Третий набор взаимно-тормозящих связей существует между MG и LG, которые также связаны электронной связью. Этот набор соединений, по-видимому, отвечает за небольшую разность фаз между LG и MG.

    Другой набор соединений присутствует для синхронизации активности пилорических и желудочных областей мельницы (Mulloney 1977).Не сразу понятно, почему необходимы прямые и непрямые связи между двумя CPG, но можно предположить, что, поскольку желудочная мельница опорожняется непосредственно в привратник, синхронизация двух ритмов может иметь некоторую пользу. Однако с теоретической точки зрения тот факт, что они связаны, обеспечивает экспериментально управляемую систему для изучения того, как могут взаимодействовать генераторы с разными частотами — явление, широко распространенное в мозге.

    Эти примеры малых сетей не являются исчерпывающими, но, тем не менее, они иллюстрируют текущее состояние анализа малых схем.О каждом из них известно гораздо больше, чем я могу здесь подробно остановиться. Тем не менее, мы можем, прежде всего, увидеть, что все они имеют много одинаковых элементарных строительных блоков, но каждый собран уникальным способом для выполнения уникальной задачи. Одно из заблуждений, которое существует для анализа нейронных цепей, состоит в том, что редукционистское описание компонентов, список частей, приведет к пониманию работы системы в целом (Dudai 2004). Изучение простых систем на самом деле может дать очень хороший список деталей, но понимание того, как они используются для вычисления двигательной схемы, т.е.е. какой алгоритм используется, не всегда понятно. Моделирование небольших систем может, по крайней мере, вычислить, как многие нелинейные взаимодействия приводят к правильному шаблону, и начать отвечать на вопросы о частоте, длине пакета и других параметрах, которые являются результатом связности цепей и свойств сотовой связи. По крайней мере, для моторных систем связь между ЦНС и нервно-мышечным растением если не прямая, то легко доступна. Сравните это с тем, что сенсорные рецепторные системы должны представлять высшим центрам обработки.Каким образом кодируется, связывается и вычисляется общий паттерн нейронной активности, используемый для представления объекта в поле зрения, неизвестно. Экспериментальный факт, заключающийся в том, что во время приобретения сенсорного восприятия можно получить лишь небольшие образцы этой деятельности, и что знание задействованных схем минимально, тем не менее, не препятствовал моделированию сложных сенсорных систем.

    Все системы, которые я обсуждал, можно понять на фундаментальном уровне с точки зрения взаимодействия между нейронами.Достижение такого уровня анализа было бы огромным достижением для микросхемы мозга. Большинство систем, которые я обсуждал, были смоделированы, и модели способны достичь следующего уровня понимания, способности предсказывать исход возмущений. В некоторых случаях одиночные нейроны были удалены из схемы и заменены электронными нейронами, которые способны удовлетворительно восстанавливать паттерн. Это на самом деле представляет собой понимание системы на высоком уровне. Можно ли будет пойти еще глубже, т.е.е. найти набор упрощенных уравнений, которые могут генерировать пространственно-временные ряды для нейронов обобщенного CPG в различных экспериментальных условиях, таких как уравнения Ходжкина – Хаксли для потенциала действия? Возможно нет. Взаимодействия нескольких проводимостей, лежащих в основе потенциала действия, намного менее сложны, чем многие проводимости, которые действуют во время активности CPG.

    21. Каким образом реорганизация функциональной цепи нейромодуляторами влияет на анализ?

    Цепи беспозвоночных, которые я описал, находятся в их наиболее элементарной форме.В некоторых случаях присутствие нейромодуляторов или аналогов нейротрансмиттеров необходимо для CPG для создания надежных фиктивных паттернов. Эти агенты либо инициируют разрыв отдельных ячеек, либо действуют глобально на всю схему. При этом степень, в которой они изменили нормальный выход CPG, может быть определена путем сравнения параметров «фиктивного» паттерна in vitro с паттерном, наблюдаемым у интактного животного. В целом закономерности сопоставимы, за исключением повышенной вариабельности, обычно наблюдаемой in vivo , которая возникает в результате сенсорной обратной связи.Некоторые экзогенно применяемые нейромодулирующие вещества могут существенно изменить структуру CPG стабильно надежным образом. Мы знаем, что действие как внутренней, так и внешней модуляции состоит в функциональном изменении связности CPG путем изменения силы синапсов, а также в изменении биофизических свойств отдельных клеток (Harris-Warrick 1988). Иммуногистохимия показала, что эти вещества присутствуют внутри или в непосредственной близости от завода CPG (Marder 1989). Менее понятны механизмы, контролирующие высвобождение этих модуляторов, или даже то, действительно ли они используются животным во время его нормальной деятельности.Можно привести веские доводы в пользу того, что такие маленькие системы «чрезмерно модулируются», но пока мы не узнаем больше о том, как они высвобождаются у интактных животных, мы можем только строить догадки. Поскольку действия нейромодуляторов могут фундаментально изменять пространственно-временные паттерны и, следовательно, поведение, они, очевидно, играют важную роль в попытках понять механизмы CPG. Было получено много информации о том, как нейромодуляторы функционируют на клеточном уровне, и эта база данных была применена к идентифицируемым нейронам в небольших системах с большим преимуществом.Например, если дофамин применяется к CPG привратника, каждый идентифицируемый нейрон в цепи изменяется, и могут быть определены важные параметры проводимости в каждой клетке (Harris-Warrick et al , 1998). I A в AB, IC, LP и PY уменьшается, но в PD оно возрастает. I Ca при PD и VD снижается, но в клетках IC, LP и PY он повышается и т.д. 2002).Таким образом, пути G-белка для действия этих веществ должны быть разными с точки зрения рецепторов и каскадов вторичных мессенджеров. Это было напрямую продемонстрировано методом, который позволяет визуализировать изменения в концентрации c-AMP в индивидуально идентифицированных пилорических нейронах (Hempel et al . 1996). Это также делает маловероятным то, что отдельные нейроны могут использовать разные коэффициенты проводимости для достижения эквивалентных биофизических свойств. Если бы это было правдой, каждый нейромодулятор оказывал бы различное воздействие на каждую клетку, и тип паттерна, связанный с конкретным модулятором, был бы различным.Это не было показано путем избирательного блокирования I A в одних и тех же идентифицированных нейронах, взятых от многих разных животных. Если количество I A изменялось, то только блокирование этого канала привело бы к разным пакетным схемам, но на самом деле они не показывают статистической разницы (Nowotny и др. . 2007).

    Работа со стоматогастральным ганглием показала, что эффекты нейромодуляторов на основные схемы существенны, эффективно изменяя схему и приводя к генерации различных паттернов (Dickinson & Moulins 1992).Большая часть этой работы была сделана путем экзогенного применения нейромодуляторов или стимуляции нервов, которые, как известно, содержат нейромодулирующие вещества. Препараты in vitro обычно использовались, чтобы можно было определить точные локусы изменений в синапсах и нейронах.

    Хотя точно не известно, сколько нейромодуляторов на самом деле используется у свободно ведущих животных, очевидно, что их способность радикально изменять свойства цепи означает, что подробные знания анатомии цепи не имеют большого значения для определения функциональных механизмов. .Схема «перестраивается» не в анатомическом смысле, а в основном за счет ослабления или усиления синаптических связей. Если синапс настолько слаб, он больше не передает информацию от одной клетки к другой; он по существу исчезает функционально, но не анатомически. Стоматогастральный ганглий, содержащий всего около 30 нейронов, имеет порядка одного миллиона синаптических контактов в своем нейропиле, поэтому вполне вероятно, что каждый функциональный синапс анатомически представлен сотнями дискретных анатомических контактов.Также было показано, что так называемые молчащие синапсы анатомически не отличаются от нормально функционирующих (Atwood & Wojtowicz 1999). Еще неизвестно, будут ли доступны четкие функционально-анатомические исследования идентифицированных синапсов в головном мозге и когда будут доступны аналогичные наблюдения. Но при интерпретации огромной базы данных, которая появится в результате таких амбициозных анатомических исследований, которые либо запланированы, либо уже проводятся и которые рекламируются как путь к разгадке мозговых цепей, функциональные исследования должны быть взаимодополняющими и иметь равную важность, а не предлагаться только в качестве запоздалой мысли. .

    22. Малые системы и понимание крупномасштабных сетей

    Маленькие сети беспозвоночных обладают очевидными экспериментальными преимуществами, которые позволяют проводить глубокий анализ, который был бы невозможен в мозгу. Перенести то, что было изучено на клеточном уровне, в более сложные системы относительно просто. Проводимость отдельных клеток и такие явления, как плато или PIR, вероятно, будут одинаковыми как в малых, так и в больших системах, и многое из того, что первоначально было обнаружено на клеточном уровне в малых системах, было полезно для исследования мозга позвоночных.В то время как рабочие схемы были полностью или почти полностью описаны для многих беспозвоночных, такие схемы не были описаны у позвоночных. Нам известна вычислительная цель CPG беспозвоночных, а также CPG позвоночных. Но мы не можем сказать, что вычислительные алгоритмы одинаковы, потому что мы не знаем, что это такое в любом случае. Мы можем лучше моделировать небольшие системы, потому что знаем больше о межъячейковой связности и свойствах отдельных ячеек и синапсов.Но, несмотря на отсутствие деталей CPG позвоночных, все еще делается много попыток смоделировать их на основе статистической выборки данных. Вопрос в том, что, поскольку мы должны с чего-то начинать, могут ли крупномасштабные модели предоставить базы данных, которые можно было бы расширять по мере того, как мы получаем больше информации? Справедливо спросить, если необходимо сделать предположения практически обо всех параметрах сложной цепи CPG, какова объяснительная ценность модели, даже если она может воспроизвести некоторые аспекты выходных данных CPG? Во многих крупномасштабных моделях нейронные свойства обычно схожи, а синапсы моделируются как возбуждающие или тормозящие без дальнейшей проработки.Однако наиболее вопиющими являются предположения о возможности подключения, которые полностью сфабрикованы. Аргумент в пользу такого подхода мог бы быть, если бы все типы синапсов и клеток были эквивалентны биофизически, а их синаптические связи были плохо определены. Даже в этих обстоятельствах неясно, может ли модель клеточного взаимодействия привести к моделированию макроскопического поведения. Эмерджентное поведение сетей, которые имеют единые правила, управляющие взаимодействиями между элементами, может вызывать удивительное поведение, которое в некоторых случаях невозможно формально рассчитать (Binder 2009).Если это так для однородных систем, как можно было бы разработать формальные алгоритмы для сетей, в которых не только каждый элемент или конечная группа элементов различны, но и правила, управляющие их взаимодействием, также различны и даже зависят от времени.

    23. Некоторые комментарии по использованию компьютерного моделирования

    В любой системе с тысячами движущихся частей словесное описание поведения системы во времени невозможно. Моделирование таких систем — более строгий способ объяснить работу взаимодействий.Но важно помнить, что модель — это всего лишь репрезентаций биологической системы. Насколько точно модель дублирует биологическую систему, зависит от того, какие параметры включены в модель и насколько точны значения параметров. Есть много дополнительных вопросов, которые возникают при построении математической модели, которая может быть реализована с помощью компьютера, включая уровень и структурную точность (Webb 2001). Модели, даже с неадекватными данными и грубым разрешением, могут имитировать работу схемы.Но это вовсе не означает, что биологическая система вычисляет именно так, то есть компьютерное моделирование не может имитировать биологию без включения биологических данных. Следует с особой осторожностью относиться к принятию за биологический факт результатов компьютерного анализа, основанного на воображаемых данных. Более того, у редукционизма есть четкие пределы. Просто невозможно полностью понять, как работает небольшая схема, на основе наблюдений и интуиции, даже если все параметры известны и им присвоены значения.Под пониманием мы можем просто иметь в виду способность прогнозировать выход CPG с точки зрения всех измеримых величин после определенного входа или возмущения. Я считаю, что мы близки к тому, чтобы сделать это сейчас для многих небольших систем, которые я описал как с помощью вычислений, так и с помощью простых словесных описаний. Но как эта возможность масштабируется до очень больших систем без необходимости делать предположения о параметрах, недоступных в настоящее время экспериментально, или о возможности их получения в будущем? Некоторые предположения могут быть основаны на статистической выборке, поэтому они не могут быть полностью определены интуитивно.Но системы выборки неизвестной степени неоднородности не могут дать надежных результатов. Отбор 100 корковых интернейронов обеспечит средний уровень различной проводимости, но стандартное отклонение будет очень большим. Это означает, что мы не можем использовать в модели 100 модельных нейронов с одинаковыми биофизическими свойствами, потому что на самом деле все эти параметры могут варьироваться в широком диапазоне. Что может оказаться гораздо более сложной проблемой для моделирования больших систем, так это невозможность проверить смоделированные входные и выходные паттерны с экспериментальными данными.В случае CPG позвоночных должно быть возможно провести некоторые значимые сравнительные исследования между реальными и смоделированными паттернами моторной отдачи (Grillner et al .2007). Однако я не знаю, чтобы подобные сравнения можно было провести для немоторных областей мозга.

    Ценность работы с беспозвоночными для тех, кто изучает мозг, состоит в том, чтобы показать, что каждый хорошо изученный CPG использует по существу одни и те же доступные строительные блоки для построения идиосинкразических цепей, которые развивались вместе с остальной частью животного.По крайней мере, это дает реальные знания, которые могут быть перенесены в большие системы с точки зрения того, какие комбинации параметров оказались эффективными для конкретных задач. Но до реалистичного детального анализа мозговых цепей еще далеко. Знания, полученные в результате анализа CPG беспозвоночных, могут оказаться более полезными при проектировании роботов, чем в качестве шаблона для мозга. Роботы, которые могли бы имитировать передвижение беспозвоночных и построенные на основе биологических принципов, были бы достижимой целью, и их уже создают.

    24. Выводы

    Очевидно, что экспериментальные данные, полученные из небольших цепей CPG, привели к уровню понимания, сильно отличающемуся от того, чего мы можем ожидать от цепей мозга. Поскольку в ряде случаев мы знаем инфраструктуру достаточно полно, можно объяснить на словах, как эти системы работают в их простейшей конфигурации, то есть без каких-либо дополнительных входных данных, чем достаточно для создания их основного ритмического паттерна. Кроме того, мы можем использовать эту информацию для создания математических моделей, которые при моделировании отражают не только особенности основного препарата, но и реакцию на возмущения, вызванные экспериментально или естественным путем.Во многих случаях модели обеспечивают более глубокое понимание, которое мы изначально искали. Анализ нескольких небольших цепей показал, что существует не так много правил эволюции цепей и что все цепи, исследованные до сих пор, используют различные комбинации клеточных и синаптических свойств для построения индивидуализированных цепей, которые параллельны эволюционирующей нервно-мышечной системе, уникальной для каждого животного. . Как могло быть иначе? Хотя дальнейший прогресс в изучении малых цепей будет происходить с использованием стандартных нейрофизиологических методов, он может сыграть большую роль в качестве испытательного стенда для новых методов, которые можно будет легче применить к более крупным системам.Но дальнейшее описание новых цепей беспозвоночных будет представлять интерес только для сравнительных исследований, которые ценны сами по себе, но продемонстрируют почти бесконечное сочетание компонентов CPG. Тем не менее, должно быть ясно, что основные строительные блоки малых систем такие же, как и для больших систем, и на более низких иерархических уровнях информация о механизмах может передаваться и передавалась с пользой.

    Одно из определений понимания чего-либо состоит в том, что больше не нужно задавать больше вопросов.Мы приблизились к достижению этого состояния в том, что касается основных механизмов цепи CPG беспозвоночных. Хотя нам еще многое предстоит узнать о контроле CPG, остается мало вопросов, если они вообще задаются об их основных механизмах. Остается понять, как именно нейромодуляторы, сенсорная обратная связь и нисходящие команды влияют на канонические схемы. В результате для изучения предлагается несколько новых CPG беспозвоночных. Возможно, мы видели, как эра преследования беспозвоночных цепей приходит и уходит, и для того, чтобы сделать новые открытия, потребуются серьезные новые технологические усовершенствования.Прямо сейчас анализ дополнительных цепей с помощью существующих методов просто продемонстрировал бы огромное разнообразие цепей CPG в природе.

    Благодарности

    Исследование авторов поддержано грантом RO1 NS050945 Национального института здоровья. Автор благодарит Аттилу Сюц за комментарии к рукописи.

    Ссылки

    • Альвинг Б. О. 1968 Спонтанная активность в сомах изолята пейсмекерных нейронов Aplysia .J. Gen. Physiol. 51, 29–45 (doi: 10.1085 / jgp.51.1.29) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Anderson P.1972Еще другое. Science 177, 393–396 (doi: 10.1126 / science.177.4047.393) [PubMed] [Google Scholar]
    • Angstadt J., Calabrese R.1991 Кальциевые токи и ступенчатая синаптическая передача между сердечными нейронами у пиявки. J. Neurosci. 11, 746–759 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Аршавский Ю., Белоозерова Г., Орловский Г., Панчин Ю., Павлова Г.1985 Контроль передвижения морских моллюсков Clione limicana III. О происхождении ритмической активности. Exp. Brain Res. 58, 273–284 [PubMed] [Google Scholar]
    • Аршавский Ю. И., 2003 г. Клеточные и сетевые свойства в функционировании нервной системы от генераторов центральных паттернов до познания. Brain Res. Rev. 41, 229–267 (doi: 10.1016 / S0165-0173 (02) 00249-7) [PubMed] [Google Scholar]
    • Этвуд Х., Войтович Дж. 1999 г. Тихие синапсы в нейронной пластичности: современные доказательства.Learning Memory 6, 542–571 (doi: 10.1101 / lm.6.6.542) [PubMed] [Google Scholar]
    • Бал Т., Надь Ф., Мулен М., 1988 Генератор центрального паттерна пилорического отдела у ракообразных: набор условных нейрональные осцилляторы. J. Comp. Physiol. A 163, 715–727 (doi: 10.1007 / BF00604049) [Google Scholar]
    • Бенджамин П., Эллиотт C.1989 Генератор питания улитки: центральный генератор паттернов и управление им с помощью модулирующих интернейронов. В «Нейронные и клеточные осцилляторы» (изд. Джеклет Дж. У.), стр. 173–214, Нью-Йорк и Базель: Марсель Деккер [Google Scholar]
    • Биндер П.2009 На грани редукционизма. Nature 459, 332–334 (doi: 10.1038 / 459332a) [PubMed] [Google Scholar]
    • Калабрезе Р. Л., Де Шуттер Э. 1992. Сети, генерирующие двигательные паттерны у беспозвоночных: моделирование нашего пути к пониманию. Trends Neurosci. 15, 439–446 (DOI: 10.1016 / 0166-2236 (92)
      -U) [PubMed] [Google Scholar]
    • Карпентер Д. О. 1973 Ионные механизмы и модели эндогенного разряда нейронов аплизии . В нейробиологии беспозвоночных: механизмы регуляции ритма (под ред.Salanki J.), pp. 35–58 Budapest, Hungary: Academiai Kiado [Google Scholar]
    • Clemens S., Katz P. S.2003 Передача сигналов G-белка в нейронной сети необходима для производства ритмических двигательных паттернов. J. Neurophysiol. 89, 762–772 (doi: 10.1152 / jn.00765.2002) [PubMed] [Google Scholar]
    • Cooke I. M.2002 Надежная, гибкая стимуляция ритма и генерация паттернов с минимальным количеством клеток: сердечный ганглий ракообразных. Биол. Бык. 202, 108–136 (doi: 10.2307 / 1543649) [PubMed] [Google Scholar]
    • Цымбалюк Г., Gaudry Q., Masino M., Calabrese R, 2002 Взрыв интернейронов сердца пиявки: клеточно-автономные и сетевые механизмы. J. Neurosci. 22, 10580–10592 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Delcomyn F.1980 Нейральные основы ритмического поведения животных. Science 210, 492–498 (doi: 10.1126 / science.7423199) [PubMed] [Google Scholar]
    • Дикинсон П., Мулен М., 1992 Взаимодействия и комбинации между различными сетями в стоматогастральной нервной системе. В динамических биологических сетях (ред. Харрис-Уоррик Р., Мардер Э., Селверстон А., Мулинз М.), стр. 139–160 Кембридж, Массачусетс: MIT Press [Google Scholar]
    • Дудай Ю., 2004 г. Неврология: опасность того, что мы будем думать, что мы все это поняли. В «Новые науки о мозге: опасности и перспективы» (ред. Риз Д., Роуз С.), стр. 167–180 Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press [Google Scholar]
    • Получение P.1989 a Новые принципы, регулирующие работу нейронных сетей. Аня. Rev. Neurosci. 12, 185–204 (DOI: 10.1146 / annurev.ne.12.030189.001153) [PubMed] [Google Scholar]
    • Получение P.1989 b Сетевой осциллятор, лежащий в основе плавания в Tritonia . В Нейронные и клеточные осцилляторы, т. 2 (изд. Джеклет Дж. У.), стр. 215–236 Нью-Йорк, Нью-Йорк: Марсель Деккер [Google Scholar]
    • Грилнер С., Козлов А., Дарио П., Стефанини К., Меннчиасси А., Лансер А., Helllgren Kotaleski J.2007 Моделирование двигательной системы позвоночных: формирование паттернов, управление и контроль ориентации тела. В вычислительной нейробиологии: теоретические сведения о функции мозга, т.165 (редакторы Дрю К. П. Т., Каласка Дж. Ф.), стр. 221–234 Амстердам, Нидерланды: Elsevier [PubMed] [Google Scholar]
    • Гутман Г. А. и др. 2005 Международный фармакологический союз. LIII. Номенклатура и молекулярные отношения потенциалзависимых калиевых каналов. Pharmacol. Ред. 57, 473–508 (doi: 10.1124 / pr.57.4.10) [PubMed] [Google Scholar]
    • Харрис-Уоррик Р. М. 1988 Химическая модуляция центральных генераторов образов. В нейронном контроле ритмических движений (ред. Коэн А. Х., Россиньоль С., Grillner S.), стр. 285–331 Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons [Google Scholar]
    • Харрис-Уоррик Р. М., 2002 г. Чувствительные к напряжению ионные каналы в ритмических двигательных системах. Curr. Opin. Neurobiol. 12, 646–651 (doi: 10.1016 / S0959-4388 (02) 00377-X) [PubMed] [Google Scholar]
    • Harris-Warrick RM, Coniglio LM, Barazangi N., Guckenheimer J., Gueron S.1995 Модуляция дофамина переходного калиевого тока вызывает фазовые сдвиги в сети центрального генератора рисунка. J. Neurosci. 15, 342–358 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Харрис-Уоррик Р., Джонсон Б., Пек Дж., Клоппенберг П. 1998. Распределенные эффекты модуляции дофамина в пилорической сети ракообразных. Аня. N.Y. Acad. Sci. 860, 155–167 (doi: 10.1111 / j.1749-6632.1998.tb09046.x) [PubMed] [Google Scholar]
    • Heinzel H. G.1988 Активность желудочной мельницы у омара I. Спонтанные режимы жевания. J. Neurophysiol. 59, 528–550 (doi: 10.1152 / jn.00591.2005) [PubMed] [Google Scholar]
    • Hempel CM, Vincent P., Adams SR, Tsien RY, Selverston AI 1996 Пространственно-временная динамика сигналов цАМФ в неповрежденной нервной цепи .Nature 384, 166–169 (doi: 10.1038 / 384166a0) [PubMed] [Google Scholar]
    • Иванов А., Калабрезе Р. 2000. Внутриклеточная динамика Ca 2+ при спонтанной и вызванной активности интернейронов сердца пиявки. Низкопороговые токи Са и ступенчатая синаптическая передача. J. Neurosci. 20, 4930–4943 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Джинг Дж., Кроппер Э., Гурвиц И., Вайс К. 2004. Построение движения с помощью модулей, зависящих от поведения, и модулей, независимых от поведения. J. Neurosci.24, 6315–6325 (doi: 10.1523 / JNEUROSCI.0965-04.2004) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Kaczmarek L., Levitan I. 1987 Neuromodulation Oxford, UK: Oxford University Press [Google Scholar]
    • Кац П. (ред.) 1999 Помимо нейротрансмиссии Оксфорд, Великобритания: Oxford University Press [Google Scholar]
    • Кац П.С., Сакураи А., Клеменс С., Дэвис Д. 2004. Период цикла сетевого осциллятора не зависит от мембранного потенциала и пиков. активность в отдельных нейронах центрального генератора паттернов.J. Neurophysiol. 96, 309–326 (DOI: 10.1152 / jn.00864.2003) [PubMed] [Google Scholar]
    • Кристан В., Калабрезе Р., Фризен В. 2005 Нейрональный контроль поведения пиявки. Прогр. Neurobiol. 76, 279–327 (doi: 10.1016 / j.pneurobio.2005.09.004) [PubMed] [Google Scholar]
    • Купферманн I.1974 Кормление в Aplysia : простая система для изучения мотивации. Behav. Биол. 10, 1–26 (doi: 10.1016 / S0091-6773 (74) -7) [PubMed] [Google Scholar]
    • Marder E.1989 Модуляция нейронных сетей.В «Нейронные механизмы поведения» (ред. Эрбер Дж., Мензель Р., Пфлюгер Х.-Дж., Тодт Д.), стр. 55–60, Штутгарт, Германия: Георг Тим Верлаг [Google Scholar]
    • Мардер Э., 1998 г. Из биофизики моделям сетевой функции. Аня. Преподобный Нероши. 21, 25–45 (doi: 10.1146 / annurev.neuro.21.1.25) [PubMed] [Google Scholar]
    • Маркрам Х. 2006. Проект голубого мозга. Nat. Rev. Neurosci. 7, 154–160 (doi: 10.1038 / nrn1848) [PubMed] [Google Scholar]
    • Мейнард Д. М., Селверстон А. I, 1975 г. Организация стоматогастрального ганглия шиповатого омара.IV. Пилорическая система. J. Comp. Physiol. 100, 161–182 (doi: 10.1007 / BF00613967) [Google Scholar]
    • Mulloney B.1977 Организация стоматогастрального ганглия колючего лобстера. V. Координация желудочной и пилорической систем. J. Comp. Physiol. 122, 227–240 (doi: 10.1007 / BF00611892) [Google Scholar]
    • Надь Ф., Миллер Дж. P.1987 Генерация пилорического паттерна в Panulirus interruptus прекращается блокадой активности через стоматогастральный нерв. В Стоматогастральная система ракообразных (под ред. Селверстона А.I., Moulins M.), стр. 136–139, Берлин, Германия: Springer [Google Scholar]
    • Nowotny T., Szucs A., Levi R., Selverston A.2007 Модели, виляющие собакой. Neural Comp. 19, 1985–2003 (doi: 10.1162 / neco.2007.19.8.1985) [PubMed] [Google Scholar]
    • Нусбаум М., Бинхаккер М., 2002 Подход малых систем к генерации двигательных паттернов. Nature 417, 343–350 (doi: 10.1038 / 417343a) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Rabbah P., Nadim F.2007 Четкая синаптическая динамика гетерогенных нейронов водителя ритма в колебательной сети.J. Neurophysiol. 97, 2239–2253 (doi: 10.1152 / jn.01161.2006) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Ринзель Дж., Эрментроут Г. Б., 1989 г. Анализ нервной возбудимости и колебаний. В «Методах нейронного моделирования» (ред. Кох К., Сегев И.), стр. 251–291 Кембридж, Массачусетс, Массачусетс, США: MIT Press [Google Scholar]
    • Satterlie R.1985 Взаимное ингибирование и постингибиторный отскок вызывают реверберацию в генераторе локомоторных паттернов. Science 229, 402–404 (doi: 10.1126 / science.229.4711.402) [PubMed] [Google Scholar]
    • Selverston A.I.1980 Понятны ли генераторы центральных паттернов? Behav. Brain Sci. 3, 535–571 (doi: 10.1017 / S0140525X00006580) [Google Scholar]
    • Селверстон А. И., Щуч А., Хуэрта Р., Пинто Р., Рейес М. 2009 Нейральные механизмы, лежащие в основе генерации моторного паттерна желудочного мельницы лобстера. Фронт. Neural Circuits 3, 12 (doi: 10.3389 / neuro.04.012.2009) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Smith T. G., Barker J. L., Gainer H.1975 Требования к увеличению потенциальной активности кардиостимулятора в нейронах моллюсков.Nature 253, 450–452 (doi: 10.1038 / 253450a0) [PubMed] [Google Scholar]
    • Smith J., Butera R., Koshiya N., Negro CD, Wilson C.2000 Генерация дыхательного ритма у новорожденных и взрослых млекопитающих: гибридно-кардиостимуляторно-сетевая модель. Респ. Physiol. 122, 131–147 (doi: 10.1016 / S0034-5687 (00) 00155-9) [PubMed] [Google Scholar]
    • Штрауб В., Старас К., Кеменес Г., Бенджамин П. 2002 г. Эндогенные и сетевые свойства Lymnaea питает интернейроны центрального генератора шаблонов. J. Neurophysiol.88, 1569–1583 [PubMed] [Google Scholar]
    • Тазаки К., Кук И. М. 1986. Токи под напряжением, фиксирующие импульсные нейроны сердечного ганглия омара ( Homarus americanus ). J. Neurophysiol. 56, 1739–1762 [PubMed] [Google Scholar]
    • Tazaki K., Cooke I. M.1990 Характеристика Са-тока, лежащего в основе формирования всплеска в моторнейронах сердечных ганглиев омара. J. Neurophysiol. 63, 370–384 [PubMed] [Google Scholar]
    • Толедо-Родригес М., Манира А.Э., Валлен П., Свирскис Г., Хаунсгаард Дж. 2008. Сигнальные свойства клеток в микросхемах. Trends Neurosci. 28, 534–540 (doi: 10.1016 / j.tins.2005.08.001) [PubMed] [Google Scholar]
    • Webb B.2001 Могут ли роботы создавать хорошие модели биологического поведения? Behav. Brain Sci. 24, 1033–1050 (doi: 10.1017 / S0140525X01000127) [PubMed] [Google Scholar]
    • Уэлш Дж. Х., Мейнард Д. М. 1951 Электрическая активность простого ганглия. Fedr. Proc. 10, 145 [Google Scholar]
    • Уилсон Д. М. 1961 Центральная нервная система, контролирующая полет саранчи.J. Exp. Биол. 38, 471–490 [Google Scholar]
    • Юсте Р. 2008. Цепная нейробиология: путь вперед. Фронт. Neurosci. 2, 6–9 (doi: 10.3389 / neuro.01.017.2008) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
    • Юсте Р., Маклин Дж., Смит Дж., Лансер А. 2005 г. Кора головного мозга как центральный генератор паттернов. Nat. Rev. Neurosci. 6, 477–483 (doi: 10.1038 / nrn1686) [PubMed] [Google Scholar]

    Аппаратный генератор случайных чисел

    Решение на базе MCU

    Люди впервые ступили на Луну 50 лет назад.На той же неделе, что и это историческое событие, Дев разделил свое время между просмотром события по телевизору и созданием уникальной настольной схемы новинки — генератора случайных цифр. В этой схеме использовалась лампа Никси для отображения и несколько интегральных схем TTL для реализации сдвигового регистра с линейной обратной связью. В этой статье Дев обновляет свой оригинальный дизайн, используя доступные сегодня цифровые КМОП-схемы и 7-сегментный светодиодный дисплей. Он также представляет улучшенную версию, в которой используется микроконтроллер Microchip PIC.

    Я интересовался случайными числами со школы, когда наткнулся на знаменитую книгу о миллионе случайных чисел корпорации RAND в публичной библиотеке. Этот набор случайных чисел был основан на исследовании, проведенном для ВВС США, и случайные числа были сгенерированы с использованием физического источника шума. Эта книга не была первой книгой случайных чисел. Эта веха принадлежит «случайным числам выборки», созданным в 1927 году английским статистиком L.H.C. Типпетт, взявший случайные цифры из записей британской переписи населения для создания 10400 четырехзначных случайных чисел.

    Источник физического шума для исследования RAND был описан как генератор импульсов случайной частоты. Этот источник шума, вероятно, был основан на шуме Джонсона-Найквиста — шуме напряжения, наблюдаемом на любом резисторе выше абсолютного нуля. Случайные числа, полученные из этого источника шума, были обесцвечены — то есть данные были обработаны для увеличения случайности, поскольку предполагалось, что схема слегка смещена против чистой случайности, точно так же, как загруженный кристалл будет показывать одни числа больше, чем другие.

    Моя первая попытка создать генератор случайных чисел использовала источник электронного шума, отличный от того, который использовался в исследовании RAND. В своей схеме я использовал стабилитрон в качестве источника шума, а усиленный белый шум от этого источника использовался для модуляции частоты генератора. Я быстро обнаружил, что амплитуда низкочастотного шума от этого источника была разочаровывающе низкой, настолько большой, что мои случайные числа не были такими уж случайными. В этот момент я решил вместо этого использовать регистр сдвига с линейной обратной связью максимальной длины — что-то, что легко было построить с помощью логических микросхем TTL той эпохи.

    Регистры сдвига

    работают, перемещая логические биты «1» или «0» на их входе через ряд этапов, точно так же, как ученики передают заметки от стола к столу в классе. В регистре сдвига с линейной обратной связью Фибоначчи, названном в честь известного математика 13 века Фибоначчи, этот входной бит берется из комбинации битов из каскадов регистра сдвига. Логические элементы исключающего ИЛИ (XOR) объединяют биты таким образом, чтобы максимизировать случайность. Для максимальной длины 24-битного регистра сдвига с линейной обратной связью обратная связь может быть получена от каскадных логических вентилей XOR, которые отводят выходы каскадов 7, 16, 22 и 24, как показано на , рис. 1, .Есть и другие отводы, которые также работают, и отводы как для более длинных, так и для более коротких регистров сдвига.

    РИСУНОК 1 — 24-битный регистр сдвига с линейной обратной связью максимальной длины. Биты данных могут быть извлечены на любом из 24 этапов, но случайность гарантирована только тогда, когда регистр циклически перебирает эти биты. Длина последовательности превышает 16 миллионов, поэтому можно извлечь 4 миллиона случайных десятичных или шестнадцатеричных цифр.

    СХЕМА
    Схема для реализации генератора случайных цифр с использованием этого подхода, как показано на рис. 2 , использует семь недорогих интегральных схем.Его преимущество в том, что не требуется прошивка. Три из этих микросхем — это 4015 8-битных регистров сдвига, которые каскадно соединены для создания 24-битного регистра сдвига. Есть микросхема с четырьмя XOR 4070, два таймера 555 для циклической смены битов и обновления дисплея и драйвер декодера 4511 для 7-сегментного светодиодного дисплея. В схеме, показанной на рисунке 2, IC1-IC3 представляют собой каскадные 8-битные регистры сдвига, которые составляют 24-битный регистр сдвига с линейной обратной связью. Этот сдвиговый регистр задействуется на этапах 7, 16, 22 и 24 и имеет вход на IC1-pin7.Микросхема XOR на IC4 обрабатывает функцию обратной связи, а цифра BCD (двоично-десятичная дробь) берется из IC1.

    РИСУНОК 2 — Схема генератора случайных чисел из сдвигового регистра с линейной обратной связью. Регистр сдвига выводит шестнадцатеричные цифры, но драйвер дисплея 4511 показывает только 0–9 и пропускает шестнадцатеричные цифры A-F. В оригинальной схеме TTL автора использовался драйвер дисплея 7447, который выводит произвольные символы для входов, превышающих 9. В этом случае использовались некоторые дополнительные логические микросхемы для обнаружения этих состояний и гашения дисплея.

    IC6 и IC7 — это таймеры 555, которые циклируют регистр сдвига четыре раза в секунду. Циклические импульсы генерируются IC7, и они приходят в виде коротких пакетов, которые запускаются IC6. IC6 генерирует импульс 50 мс каждую секунду, и этот сигнал отправляется на разрешающий вывод IC7 для создания последовательности импульсов, показанной на , рис. 3, . Важно, чтобы за цикл генерировалось как минимум четыре импульса. Если их меньше четырех, последовательные цифры будут коррелированы, и случайность будет потеряна.Их может быть больше четырех, поэтому вы можете уменьшить значение конденсатора синхронизации на IC7, чтобы быть осторожными, если у вас нет осциллографа для подсчета импульсов.

    РИСУНОК 3 — Тактовые импульсы, генерируемые двумя таймерами 555. IC6 затвор IC7 генерирует четыре импульса для опережения сдвигового регистра с линейной обратной связью на одну двоично-десятичную цифру. Эта последовательность импульсов происходит с интервалом в одну секунду, поэтому каждую секунду появляется новое случайное число.

    IC5 — это комбинированный драйвер декодера, который представляет данные BCD на 7-сегментный светодиодный дисплей.Этот чип слеп к числам, выходящим за пределы диапазона 0–9, поэтому шестнадцатеричные цифры A-F не ​​отображаются, когда они встречаются. Это означает, что случайные цифры иногда могут быть разделены более чем на секунду. Некоторые дополнительные микросхемы решат эту проблему, но я думал, что это излишне усложнит схему.

    В этой конструкции довольно много микросхем, поэтому я спроектировал печатную плату так, чтобы ее можно было разрезать пополам и сложить под прямым углом, как показано на Рис. 4 . Я протравливаю свои собственные печатные платы, поэтому они всегда конструируются с медными проводниками на одной стороне с несколькими необходимыми перемычками.Логической схеме обычно требуются более длинные перемычки для сигнальных соединений, в данном случае от ответвлений на сдвиговых регистрах до микросхемы XOR.

    РИСУНОК 4 — Печатную плату генератора случайных чисел можно разрезать пополам и сложить, чтобы получить более компактную конструкцию. Разъем питания USB можно увидеть справа, а разъем для 7-сегментного дисплея — слева.

    ЗАВЕРШЕННОЕ УСТРОЙСТВО
    Хотя эту схему можно использовать для генерации случайных ПИН-кодов для различных учетных записей, по сути, это новинка настольного компьютера — кукла с качающейся головой компьютерного человека.В довершение к новинке я встроил свою в полупрозрачный пластиковый корпус и добавил два синих светодиода для освещения салона. Светодиоды нуждались в рассеивателях света, чтобы лучше распространять свет внутри, и я сделал их из пластиковых трубок и капли полупрозрачного силиконового клея. Готовое устройство можно увидеть на Рисунок 5 .

    РИСУНОК 5 — Генератор случайных чисел на основе 24-битного сдвигового регистра с линейной обратной связью. Устройство встроено в полупрозрачный пластиковый корпус, внутренняя схема которого подсвечивается двумя синими светодиодами.Разъем питания USB находится справа, а подключение ленточного кабеля к 7-сегментному светодиодному дисплею можно увидеть слева.

    Устройство было разработано для питания от небольшого сетевого трансформатора USB, поскольку его ток в 135 мА при 5 В предположительно выходит за пределы 100 мА для компьютерного разъема USB-2.0. Поскольку я предполагал, что в компьютерах есть внутренняя схема ограничения тока для предотвращения повреждений, я рискнул и подключил к старому настольному компьютеру, и он работал нормально.Схема также работала с подключением USB-2.0 на другом домашнем компьютере. Спецификация USB-3.0 требует максимального потребления тока 150 мА на разъем, так что это считается безопасным.

    Есть знаменитая карикатура на Дилберта, опубликованная 25 октября 2001 года, в которой наш главный герой-компьютерщик Дилберт совершает поездку по «Стране бухгалтерских троллей». Он познакомился с их генератором случайных чисел, троллем, который постоянно повторяет «девять». Дилберт спрашивает, действительно ли это случайность, и его гид-тролль говорит: «Это проблема случайности.Никогда нельзя быть уверенным ». К счастью, существуют статистические тесты на случайность, самым известным из которых является Дихард, разработанный американским математиком и компьютерным ученым Джорджем Марсалья.

    В то время как Дихард был бы чрезмерным в оценке того, насколько хорошо работает этот 24-битный регистр сдвига с линейной обратной связью, я действительно проверил его производительность с помощью компьютерного моделирования для прогона 32000 шестнадцатеричных цифр, чтобы проверить частоту, с которой появляется каждая цифра, а также вероятность того, что одни цифры с большей вероятностью последуют за другими.Результат был достаточно однородным с ожидаемыми отклонениями, соответствующими размеру выборки, как это видно на Рис. 6 .

    РИСУНОК 6 — Отклонение от единообразия цифр при моделировании 24-битного сдвигового регистра с линейной обратной связью. Было проанализировано 32 000 цифр, поэтому ожидаемая частота каждой цифры составляет около 2 000. Статистически эти отклонения — то, что можно было бы ожидать от размера выборки.

    ЖИЗНЬ ПРОЩЕ С MCUS
    Хотя вышеупомянутая схема имеет то преимущество, что не требуется прошивка, я запрограммировал тот же регистр сдвига с линейной обратной связью в микроконтроллер Microchip Technology PIC (MCU) и дал устройству несколько вариантов.Поскольку можно запрограммировать PIC в спящий режим, который потребляет очень мало тока, этот второй генератор случайных чисел питается от батареи и управляется кнопочным переключателем. Устройство не только отображает случайные цифры, но также имитирует бросок игральных костей и отвечает на вопрос «да / нет».

    Простота схемы показана на Рисунок 7 . Микроконтроллер PIC 16F630 имеет достаточное количество контактов ввода-вывода для управления 7-сегментным светодиодным дисплеем, обнаружения кнопок и переключателей режимов и обеспечения последовательного программирования внутри схемы.Смещенный по центру тумблер выбирает один из трех режимов: режим, который дает последовательность из шести случайных чисел, другой, который дает два случайных числа от 1 до 6, и третий, который случайным образом дает «Y» вместо «да» или «N». для нет. Последний режим идеален для принятия сложных управленческих решений.

    РИСУНОК 7 — Схема генератора случайных чисел из сдвигового регистра с линейной обратной связью, моделируемая микроконтроллером PIC. Использование MCU позволяет использовать несколько режимов работы. Резисторы переключателя режимов получают питание от разъема RC5, поэтому они не потребляют питание, когда PIC находится в спящем режиме.

    Я собрал всю схему, включая держатель батареи, печатную плату, переключатели и 7-сегментный дисплей, в контейнер, который я построил из куска трубы ПВХ, купленного в магазине товаров для дома. Я использовал заглушку из ПВХ в качестве съемного основания, чтобы обеспечить доступ для замены батареи. Потребляемый в устройстве ток настолько мал, что при периодическом использовании батарей хватит почти на весь срок их хранения. Фотография устройства представлена ​​как Рисунок 8 .

    РИСУНОК 8 — Генератор случайных чисел с питанием от батареи на основе PIC MCU.Нажатие кнопки дает либо шесть случайных цифр, либо два броска шестигранных кубиков, либо ответ да / нет, в зависимости от выбранного режима. В этой версии смоделированный 24-битный регистр сдвига с линейной обратной связью используется с отводами на этапах 1, 3, 4 и 24, а данные BCD берутся с этапов 21-24. Компилятор имеет встроенный генератор случайных чисел, который можно использовать вместо имитируемого сдвигового регистра с линейной обратной связью.

    В отличие от первого генератора случайных чисел, для версии MCU требуется программа микропрограммы, которую я написал с помощью компилятора PICBasic Professional (ME Labs, melabs.com). Поскольку я использую исключительно Linux, я запускаю старую версию этого компилятора и связанный с ним программатор в очень старой операционной системе Windows, установленной как виртуальная машина. На веб-странице загрузки кода и файлов Circuit Cellar вы можете найти скомпилированный шестнадцатеричный файл для программирования PIC MCU без использования компилятора. Было бы достаточно просто переписать исходный код на C, чтобы можно было использовать другие компиляторы, включая бесплатный компилятор MPLAB C18 от Microchip, производителя микроконтроллеров PIC.

    RESOURCES
    Миллион случайных цифр со 100000 нормальных отклонений, RAND Corporation, The Free Press (1955), доступно по адресу https://www.rand.org/pubs/monograph_reports/MR1418.html

    Джордж У. Браун, «История случайных цифр RAND — Резюме», в A.S. Хаусхолдер, Г. Форсайт и Х.Х. Жермонд, ред., Метод Монте-Карло, Национальное бюро стандартов, серия по прикладной математике, т. 12 (Вашингтон, округ Колумбия: типография правительства США, 1951 г.), стр. 31 и далее, доступно по адресу https: // www.rand.org/content/dam/rand/pubs/papers/2008/P113.pdf

    ME Labs | www.melabs.com
    Технология микрочипов | www.microchip.com

    ОПУБЛИКОВАНО В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR • ОКТЯБРЬ 2019 № 351 — Получить PDF-файл выпуска

    Дев Гуалтьери получил докторскую степень. Имеет степень доктора наук и технологий твердого тела в Сиракузском университете в 1974 году.Он проработал 30 лет в области исследований и технологий в крупной аэрокосмической компании и сейчас на пенсии. Доктор Гуалтьери ведет научно-технический блог по адресу www.tikalon.com/blog/blog.php. Он является автором трех научно-фантастических романов и книг по естествознанию и математике. См. Подробности на сайте www.tikalonpress.com.

    Спонсируйте эту статью

    Мой генератор продолжает отключаться (причины и способы их устранения) — PortablePowerGuides

    Отключение — это в основном слово, используемое для описания внезапного отключения любого электрического устройства при обрыве цепи.Каждое электрическое устройство содержит автоматические выключатели. Они помогают выключить устройство при скачке напряжения или любой другой проблеме, которая может повредить устройство или другие подключенные к нему устройства.

    Так же, как и основные источники электроэнергии, генераторы также иногда неожиданно отключаются. Это может быть очень неприятно, когда нет электричества и генератор тоже отключается. В этой статье вы узнаете различные причины, по которым генератор может отключиться, что вы можете сделать, чтобы это исправить, и как предотвратить это.

    Основные причины отключения

    Как правило, генератор отключается из-за прерывания подачи питания автоматическим выключателем или проблемы с розетками прерывателя цепи замыкания на землю (GFCI).

    И автоматический выключатель, и GCFI используются для защиты устройств от повреждений, однако служат немного другим целям.

    Все генераторы содержат автоматические выключатели (и предохранители), которые отключают или отключают электропитание всякий раз, когда существует потенциальная угроза для подключенных устройств.В основном они используются для борьбы с неожиданными скачками напряжения, а отключается только тогда, когда напряжение в электросети превышает необходимое.

    В отличие от автоматических выключателей, розетки GFCI используются для обнаружения любой потенциальной утечки электричества из устройства . Другими словами, они указывают на то, что электрический ток теряется в каком-то нежелательном направлении вместо того, чтобы следовать желаемому пути к земле.

    Утечки тока могут быть разными; к ним относятся порванные провода, изношенная изоляция, вода или влага, неисправный электрический прибор и даже контакт с кожей человека .GFCI — очень важное и спасающее жизнь оборудование, которое внезапно отключает генератор, чтобы предотвратить любую возможность поражения электрическим током или поражения электрическим током. Если GFCI не работает должным образом, есть вероятность возникновения пожара.

    Хотя и автоматические выключатели, и GFCI чрезвычайно важны, бывают случаи , когда они начинают работать со сбоями и продолжают выключать генератор без уважительной причины . Когда это произойдет, вам нужно будет проверить каждый из них, чтобы увидеть, в чем проблема.

    Быстрые способы исправить

    В поисках неисправности

    Поскольку существует две основные возможные причины отключения генератора, важно выяснить точную причину и сузить круг проблемы. Следует отметить, что все генераторы не имеют розеток GFCI, поэтому первое, что вам нужно сделать, это выяснить, есть ли они у вашего генератора.

    Иногда возможно, что и автоматический выключатель, и GFCI отключаются одновременно .Если это только первое, то вам может потребоваться убедиться, что вы не перегружаете генератор. Однако, если i t — это только отключение GFCI, то это, скорее всего, утечка электрического тока.

    Проверка гнезда GFCI

    Чтобы проверить, является ли розетка GFCI причиной отключения , вам нужно выключить генератор и отсоединить все устройства от вашего генератора .После этого вам необходимо перезапустить генератор и сбросить розетку GFCI. Это делается простым нажатием кнопки «Сброс». Посмотрите, остается ли кнопка нажатой после этого — если нет, то это означает, что розетка GFCI вашего генератора перестала работать и ее необходимо заменить.

    Если вы не обнаружите потенциальной проблемы с розеткой GFCI, то вы можете попробовать подключить небольшую электрическую нагрузку, например лампочку, напрямую, без использования удлинителя .Подождите не менее 15 секунд, чтобы увидеть, сработает он или нет. Если это не так, то это также говорит о том, что с розеткой GCFI все в порядке, и может быть другая причина проблемы.

    Даже в случае срабатывания лампы не спешите с выводами, прежде чем повторить процедуру с другой лампой или другой небольшой нагрузкой . Если все подключаемые устройства продолжают отключаться, возможно, вам потребуется помощь специалиста.

    Проверьте шнуры

    Если вы используете удлинитель для подключения устройств, то после того, как вы проверили или зафиксировали розетки GFCI, , вы также должны проверить свой шнур, используя тот же процесс .Подключите все шнуры к генератору один за другим, а также проверьте, нет ли на них грязи или влаги. Если генератор отключается по любому из шнуров, то этот шнур необходимо заменить. .

    Если с розетками GFCI или шнурами проблем нет, возможно, вам придется проверить автоматический выключатель и заменить его . В некоторых случаях генератор работает некоторое время, а затем через несколько минут срабатывает автоматический воздушный выключатель, выделяя запах гари.

    Обычно это результат недостаточного давления пружины или плохого контакта воздушного реле. Это увеличивает контактное сопротивление в главной цепи и, следовательно, нагревает переключатель, вызывая его срабатывание. . Чтобы исправить это, вы должны тщательно очистить коммутатор и избавиться от влаги и пыли. Убедитесь, что переключатель установлен правильно.

    В некоторых случаях генератор отключится, как только вы подключите к нему нагрузку. Обычно это происходит из-за того, что либо слишком велика нагрузка, либо возникло внешнее короткое замыкание. Для этого вам может потребоваться профессиональная поддержка, чтобы точно определить место внешнего короткого замыкания и устранить его.

    Проверка конденсатора

    Проверка конденсатора — еще более сложная задача, чем проверка розеток GFCI. Многие автоматические выключатели имеют встроенный индикатор, показывающий перегрузку и срабатывание устройства. . Однако бывают случаи, когда либо нет индикации, либо прерыватель перестает работать, и, следовательно, индикатору нельзя доверять.

    Для подтверждения того, что действительно неисправен выключатель или что-то еще, вам, возможно, придется попробовать те же действия и подключить разные устройства . Вы также можете использовать мультиметр для измерения сопротивления на выводах проводов, находящихся внутри панели.

    Обычно любые показания говорят о том, что прерыватель работает, а проблема в другом месте. Если показание показывает «OL» (перегрузка) или бесконечность, несмотря на то, что приборы не подключены, это означает, что автоматический выключатель неисправен и его необходимо заменить.

    Проверьте провода

    Электропроводка также очень важна, и иногда поврежденные провода также могут вызвать срабатывание выключателя и отключение генератора. Лучше проверять провода каждые несколько дней.

    Выбор правильного автоматического выключателя

    Хотя нет никакого способа контролировать скачки напряжения и нежелательные отключения, которые иногда происходят неожиданно, выбор конденсатора правильного типа может упростить задачу . Вот некоторые вещи, которые следует учитывать при покупке конденсатора.

    Номинальное высокое напряжение

    Все конденсаторы имеют определенное номинальное напряжение . Хороший конденсатор — это конденсатор, у которого есть достаточная емкость напряжения для работы приборов, и который не будет быстро нагреваться. Чем выше рейтинг, тем лучше.

    Должен иметь высокую максимальную отключающую способность

    Отключающая способность конденсатора — это, по сути, его способность справляться с скачками напряжения без повреждения. T отключающая способность конденсатора всегда должна быть высокой, чтобы он не прекращал работу при колебаниях мощности.

    Следует иметь дело с высокой температурой

    Хороший конденсатор всегда должен иметь возможность работать с высокими температурами всякий раз, когда устройство нагревается. Всегда проверяйте, откалиброван ли конденсатор, который вы покупаете, для среды, в которой вы собираетесь его использовать.

    Предотвратить коррозию и влагу

    Также ранее упоминалось, что часто пыль и влага могут привести к отключению генератора . На рынке есть конденсаторы, предназначенные для защиты от влаги.При покупке конденсатора помните об этих свойствах.

    Заключение

    В этой статье мы выделили различные проблемы, которые могут вызвать отключение генератора. Мы также обсудили, как проверить, в чем проблема, чтобы ее можно было исправить соответствующим образом.

    Кроме того, мы также исследовали некоторые качества, которые следует искать в конденсаторах, чтобы предотвратить повседневные проблемы. Информация, представленная в этой статье, может помочь людям понять, почему их генератор отключается.Те, кто разбирается в электрических схемах, могут извлечь из этого выгоду и использовать их для ремонта своих генераторов.

    Хотя познание вещей — это хорошо, всегда лучше обратиться за помощью к специалистам в любой области. Если нет чрезвычайной ситуации, всегда лучше вызвать профессионального электрика для решения этих проблем.

    Иногда спотыкание может указывать на более серьезную проблему, которая временами может быть даже опасной для жизни.

    Если вы чувствуете запах гари, искры или сильно нагретые провода, важно как можно скорее обратиться за профессиональной поддержкой.Игнорирование этих признаков или неполучение надлежащей помощи часто может привести к возникновению пожара. Иногда есть определенные вещи, которые может понять только эксперт.

    Схема генератора четности со сверхнизким энергопотреблением на основе технологии QCA

    Технология квантовых точек клеточного автомата (QCA) — одна из новых технологий, которая может использоваться для замены технологии CMOS. В последние годы он привлек к себе большое внимание из-за чрезвычайно низкой рассеиваемой мощности, высокой рабочей частоты и небольших размеров.В этом исследовании мы демонстрируем схему генератора четности n бит с использованием технологии QCA. Здесь новый вентиль XOR используется в синтезе предложенной схемы. Предлагаемый затвор основан на электростатическом взаимодействии между ячейками для выполнения желаемой функции. Результаты сравнения показывают, что разработанные схемы QCA имеют преимущества по сравнению с другими схемами с точки зрения количества ячеек, площади, задержки и энергопотребления. Программное обеспечение QCADesigner, широко используемое для проектирования и проверки схем QCA, использовалось для реализации и проверки всех проектов в этом исследовании.Рассеиваемая мощность была рассчитана для предложенной схемы с использованием точного инструмента оценки мощности QCAPro.

    1. Введение

    Непрерывное уменьшение размеров устройств на основе КМОП в течение последних нескольких десятилетий в соответствии с законом Мура приводит к множеству различных и сложных проблем, поскольку в последнее время эти устройства становятся более устойчивыми к масштабированию [1– 3]. Одной из самых больших проблем, с которыми сталкиваются схемы на основе транзисторов, является потребление энергии из-за тока утечки из-за повышенного порогового напряжения и пониженного напряжения питания [4].Поиск новых технологий привел к созданию клеточного автомата с квантовыми точками (QCA), который имеет привлекательные особенности, такие как более низкое потребление энергии и меньшая плотность клеток [5]. Конструкции QCA предлагают решения с меньшим энергопотреблением и меньшими площадями по сравнению с существующей логикой CMOS [6, 7]. Конструкции на основе QCA подходят для изготовления устройств нанометрового масштаба. В QCA схемы создаются квантовыми ячейками, и каждая ячейка содержит четыре квантовых точки, а также два электрона. Квантовые точки — это наноразмерные структуры, построенные из полупроводников, таких как InAs и GaAs.Передача информации достигается путем распространения состояния поляризации вместо тока в реализации QCA. Эта новая технология привлекла множество исследователей из-за ее прямого использования в квантовых вычислениях. На сегодняшний день выполнено несколько работ по разработке логических схем QCA, таких как умножители, сумматор, обратимый ALU, делитель, декодер и схемы памяти [8–15]. Многие из этих конструкций имеют такие преимущества, как более высокая скорость и меньший размер по сравнению со своими КМОП-аналогами. Напротив, массовое производство сверхмалых технологий QCA очень сложно.Кроме того, технология QCA подвержена высокому уровню ошибок. Высокая частота ошибок этой технологии по сравнению с традиционной технологией CMOS связана с дефектами перемычки, смещения, несоосности и пропусков ячеек, а также с застреванием в неисправности, которые, вероятно, возникают в затворах и межсоединениях. Дефекты могут иметь место как на этапе химического синтеза, так и на этапе осаждения. На этапе химического синтеза производятся клетки QCA, а на этапе осаждения клетки QCA помещаются на подложку.Однако дефекты более вероятны на этапе осаждения, когда идеально изготовленные ячейки неидеально прикреплены к подложке. Устройства QCA также подвержены кратковременным сбоям, которые вызваны термодинамическими эффектами, излучением и другими эффектами, такими как небольшая разница в энергии между основным и возбужденным состояниями.

    В этой структуре логический элемент «исключающее ИЛИ», вероятно, является жизненно важной частью сложных цифровых схем, поскольку он часто используется как структурные блоки при цифровом производстве.Его можно использовать при разработке конкретных схем связи, таких как генератор четности и средство проверки. QCA — одна из важных технологий, которые позволяют проектировать высокопроизводительные схемы с функциями низкого энергопотребления. В этом контексте вентиль «исключающее ИЛИ» представляет собой важный компонент. В литературе были предложены различные вентили исключающего ИЛИ на основе QCA, которые были разработаны с использованием методологии на основе большинства вентилей. Чтобы снизить энергопотребление и сложность оборудования, в этом исследовании представлен оптимизированный логический элемент «исключающее ИЛИ» QCA, с помощью которого можно синтезировать любые сложные цифровые конструкции.Кроме того, оптимизированная схема генератора четности достигается за счет использования предложенного логического элемента XOR. Основные вклады статьи заключаются в следующем: (i) Предлагается эффективная конструкция логического элемента QCA с исключающим ИЛИ (ii) 4-, 8-, 16- и 32-битные схемы генератора четности QCA спроектированы с использованием этого предложенного ворота как строительный блок (iii) Спроектированные схемы моделируются с помощью программного обеспечения QCADesigner (iv) Рассеиваемая мощность предложенных конструкций оценена

    Остальная часть документа организована следующим образом: В Разделе 2 представлены основы технологии QCA рассмотрено.В Разделе 3 представлены предлагаемые нами ворота с ИСКЛЮЧАЮЩИМ ИЛИ и сравниваются с обычными воротами с ИСКЛЮЧАЮЩИМ ИЛИ. В разделе 4 схемы генератора четности разработаны с использованием предложенного логического элемента и сравниваются с другими аналогичными схемами. Результаты моделирования предложенных конструкций представлены в Разделе 5. Наконец, Раздел 6 завершает статью.

    2. Предпосылки QCA

    Основным функциональным блоком QCA является квантовая ячейка, состоящая из четырех квантовых точек. Каждая точка может содержать один электрон [6].Электростатическое отталкивание двух электронов в квантовой ячейке гарантирует, что электроны могут находиться только в противоположных местах. Таким образом, эти электроны принимают устойчивые состояния, называемые поляризациями, которые энергетически равны и интерпретируются как бинарные «0» и «1» [16]. Они имеют соответствующие поляризации как = «-1» (логический «0») и = «+1» (логический «0»), как показано на рисунке 1. Поляризация ячеек рассчитывается по уравнению (1) [17], где ρ i показывает электрический заряд в точке i .Двоичная информация отображается с использованием положения двух электронов в каждой логической ячейке.


    С другой стороны, для обеспечения правильного потока данных вводится тактирование схемы QCA [18]. Схемы на основе QCA имеют четырехфазную синхронизацию, а именно переключение, удержание, отпускание и расслабление, как показано на рисунке 2. Эти четыре фазы генерируются бегущей волной электрического поля, перпендикулярной плоскости QCA. Различные зоны часов представлены четырьмя разными цветами.Ноль часов обозначен зеленым, первый — розовым, вторые — синим, а третий — белым. Каждая зона тактирования имеет фазовый сдвиг на 90 относительно соседних зон. Каждая ячейка в зоне синхронизации ведет себя как защелка [19].


    Кроме того, когда они расположены близко друг к другу, поляризация одной ячейки QCA влияет на поляризацию другой, опять же за счет кулоновского взаимодействия. Этот эффект можно использовать для создания логических вентилей, таких как вентили NOT и MAJ.Инвертор — это результат размещения ячеек таким образом, чтобы их вершины соприкасались, как показано на Рисунке 3 (а) [20]. Большинство избирателей состоит из пяти ячеек: одной ячейки устройства (центральной ячейки), трех входных и выходных ячеек, как показано на рисунке 3 (b). Большинством избирателя движут три входных фактора: A , B и C . Его выходной сигнал можно вычислить следующим образом:

    Типы кроссовера обеспечивают преимущество при проектировании схем в QCA, поскольку они предлагают определенную гибкость проектирования.Технология QCA имеет два типа кроссовера. Один — многослойный кроссовер, а другой — копланарный кроссовер, как показано на рисунках 4 (a) и 4 (b) соответственно [16, 21]. Многослойный кроссовер имеет высокую стоимость из-за проблем с производством. Во втором методе два провода перекрываются в одинаковой плоскости, чтобы облегчить пересечение простого двоичного провода цепи инвертора.

    3. Сопутствующие работы
    3.1. Предыдущие схемы QCA Exclusive-OR

    На сегодняшний день, широко распространенное исследование QCA было намечено для достижения проектов исключительного OR [22–27], которые используются во многих цифровых логических схемах, таких как схемы обнаружения ошибок, арифметические логические схемы , мультиплексоры, полные сумматоры и компараторы.Логический элемент XOR состоит из двух входов и одного выхода. Его вывод истинен, когда два входных операнда не совпадают, и вывод ложен в противном случае.

    В [22] авторы предложили новый маломощный вентиль XOR. Этот спроектированный затвор состоит из 13 ячеек и 0,012 мкм м 2 площади. Он занимает меньше места среди других. Этот дизайн основан на взаимодействии между ячейками для реализации желаемой функции. Он не включает в свой состав кроссовер. Кроме того, отсутствует мажоритарный затвор, что приводит к меньшему количеству ячеек и потребляемой мощности.В [23] авторы представили новый, надежный вентиль исключительного ИЛИ. Этот спроектированный затвор состоит из 28 ячеек и 0,02 мкм м 2 площади. Он реализован без использования копланарного и многослойного кроссовера. В этом новом подходе к проектированию с исключительным ИЛИ используется один мажоритарный вентиль с пятью входами и две ячейки с фиксированной поляризацией. Авторы в [24] предложили схему с 36 ячейками, протяженностью 0,030 мкм м 2 и задержкой 0,75. Эта конструкция разработана с использованием конструкции, состоящей из парных ворот для большинства избирателей-меньшинств (CMVMIN), двух ворот для большинства и двух ворот с инвертором.Для схемы, предложенной в [25], требуется 37 ячеек QCA, протяженность 0,030 мкм м 2 и задержка 1. Эта конструкция имеет важное количество ячеек и обеспечивает большую площадь. Кроме того, Бахар и др. Предложили новую конструкцию логического элемента XOR. в [26]. В этой конструкции удалось снизить количество используемых ячеек и потребление площади. Он состоит из 12 ячеек QCA, 0,02 мкм м 2 протяженности и 1,25 задержки. На рисунке 5 показаны некоторые ранее разработанные вентили исключающего ИЛИ.

    3.2. Предлагаемый шлюз исключающего ИЛИ QCA

    В этом разделе предлагается новый эффективный шлюз исключающего ИЛИ, использующий упорядоченные и взаимодействующие ячейки QCA. Разработанная схема и результаты ее моделирования показаны на рисунках 6 (а) и 6 (в) соответственно. Здесь для достижения предложенной конструкции не используются никакие ворота большинства. Программное обеспечение QCADesigner используется для проверки функциональности разработанной схемы. Предлагаемый дизайн QCA охватывает только 9 ячеек, протяженность 0,01 мкм м 2 и задержку 0.5. Напротив, для схемы QCA, предложенной в [25], требуется 37 ячеек, протяженность 0,03 мкм м 2 и задержка 1. Следовательно, разработанный вентиль XOR имеет улучшение на 75,67%, 66,66% и 50% по сложности ячейки, протяженности и задержке, соответственно, по сравнению с проектом [25]. Кроме того, предлагаемый затвор достигает 67,85%, 50% и 33,33% с точки зрения сложности ячейки, площади, задержки и стоимости, соответственно, по сравнению с проектом [23]. Таким образом, предлагаемый вентиль может привести к цифровым схемам QCA с меньшей аппаратной сложностью и потребляемой мощностью.

    4. Конструкции генератора четности

    Генератор логической четности является фундаментальным компонентом микросхем обработки информации и вычислительных систем, в которых необходимо проверять точное соответствие всех принятых и переданных данных. Он играет важную роль в проектировании цифровых схем. В результате было сделано несколько попыток реализовать этот важный логический компонент, особенно в технологии QCA [22, 23, 25, 27]. В этом разделе мы предлагаем новую схему QCA для генератора четности.На рисунке 7 (a) показана реализация предлагаемого логического блока предлагаемой схемы 4-битного генератора четности с тремя копиями предложенного логического элемента QCA XOR. На рисунке 7 (b) показаны результаты моделирования предложенной схемы 4-битного генератора четности. Временная диаграмма показывает, что выходной сигнал четности получен правильно. Следует отметить, что эту схему можно легко расширить до n-битной схемы генератора четности QCA. На рисунке 8 показана реализация QCA предлагаемой схемы генератора 8-битной четности.В этом фокусе мы демонстрируем только схемы QCA 4- и 8-битных схем генератора четности из-за нехватки места. Здесь количество ячеек, площадь и задержка разработанных схем 4- и 8-битных генераторов четности значительно улучшены по сравнению со схемами 4- и 8-битных генераторов четности в [22, 23, 25].


    5. Результаты моделирования и сравнение

    Инструмент QCADesigner версии 2.0.3 используется для проверки функциональности разработанных схем QCA. Используемые параметры для моделирования следующие: ширина ячейки = 18 нм, высота ячейки = 18 нм, диаметр точки = 5 нм, количество образцов = 12.800, допуск сходимости = 0,001, радиус действия = 80 нм, относительная диэлектрическая проницаемость = 12,9, высокий тактовый сигнал = 9,8 E — 22 Дж, низкий тактовый сигнал = 3,8 E — 23 Дж, коэффициент амплитуды часов = 2, разделение слоев = 11,5 нм , а максимальное количество итераций на выборку = 100. В таблице 1 показаны результаты сравнения предложенного логического элемента исключающее ИЛИ с ранее сообщенными вентилями XOR. Сравнение проводится с учетом количества ячеек и общей площади, а также задержки цепи. Как видно из таблицы 1, предлагаемая схема XOR имеет меньшее количество ячеек и меньшую площадь устройства по сравнению с существующими схемами.В таблице 2 предложенные схемы генератора четности сравниваются с ранее описанными схемами генератора четности [23, 25, 28–30]. Очевидно, что наши проекты превосходят предложенные в [23, 25, 28–30]. В этой работе программное обеспечение QCAPro [31], механизм вероятностного проектирования, было применено для исследования истощения энергии. Карта рассеяния мощности предлагаемого логического элемента XOR изображена на рисунке 6 (b). Согласно рисунку 6 (b), более темные ячейки показывают более высокое среднее рассеивание мощности, а белые квадраты представляют входные ячейки.В таблице 3 показана мощность, потребляемая предлагаемой схемой QCA XOR. Оценка выполняется при температуре T = 2 K с использованием трех уровней энергии канала, а именно: 0,5 E k , 1,0 E k и 1,5 E k . Как показано на рисунке 9, предлагаемый нами затвор имеет наименьшее значение рассеиваемой энергии на трех отдельных уровнях туннельной энергии по сравнению со схемами в [22, 23, 25, 27, 32].Следовательно, использование предложенного логического элемента XOR в схемах генератора четности обеспечит большую экономию энергии. Из рисунка 10 видно, что предлагаемые нами архитектуры имеют наименьшее значение рассеяния энергии в различных размерах (4, 8, 16 и 32 бита) по сравнению с существующими.

    28] 0,09 0,09

    Контур Количество ячеек Площадь ( μ м 2 ) Часы № цикла Тип кроссовера
    60 0.09 1,5 Копланарный
    XOR [29] 54 0,08 1,5 Копланарный
    XOR [30] 67 XOR [25] 37 0,03 1 Не требуется
    XOR [24] 36 0,03 0,75 Не требуется
    0.02 0,75 Не требуется
    XOR [22] 13 0,012 0,5 Не требуется
    XOR [22] 12 0,011 0,011
    Предлагаемый XOR 9 0,01 0,5 Не требуется

    количество
    1389 9139
    Площадь ( мкм м 2 ) № часов.цикл

    [28] 4 187 0,32 2,75
    8 465 0,92 1024 5,25
    32 2220 5,96 6,5

    [29] 4 168 0.28 2,75
    8 408 0,8 4
    16 912 2,09 5,25
    [30] 4 188 0,2 2,25
    8 369 0,49 2,25
    46 3,25
    32 1862 3,58 4,25

    [25] 4 111 0,43 3
    16 603 1,13 4
    32 1,312 2,81 5 87 0.10 1,75
    8 213 0,30 2,75
    16 480 0,81 3,75
    Предлагаемый дизайн 4 37 0,05 1,5
    8 97 0,18 2,5
    1650 3,5
    32 511 1,3 4,5

    9139 = 2,0 K
    94
    .36
    γ = 0,5 E k γ = 1 E k γ = 1.5 E K

    XOR [25] 46,99 66,54 89,51
    XOR [32] 39,06 53,63 71,08
    XOR [23] 36,20 50,28 66,58
    18,42 26,02
    Предлагаемый XOR 6,7 11,29 16,19


    предложенная схема потребляемой мощности проанализирована. -Фока [33]. Матрица гамильтониана подхода среднего поля объясняется как

    Стоимость энергии излома двух соседних ячеек i и j с противоположными поляризациями получается следующим образом:

    Для любого случая истощение мощности ячейки QCA можно рассчитать следующим образом:

    6.Заключение

    Клеточные автоматы с квантовыми точками (QCA) — это развивающаяся наноразмерная технология с большими перспективами создания компактных схем с низким энергопотреблением по сравнению с КМОП-технологией. В этой статье был представлен новый дизайн ворот с исключающим ИЛИ в технологии QCA. Это более предпочтительно для реализаций QCA, поскольку в нем не используются вращающиеся ячейки и мажоритарные вентили.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *