Шибер это что: типы заслонок для дымоходов, материалы и для чего это нужно

Шибер чугунный

Элементы заслонки выливаются из чугуна марки СЧ 20. Качество отливок зависит от технологии литья. Наиболее известный производитель качественных чугунных шиберов и печной фурнитуры — финская компания SVT. Модели представлены выдвижного и поворотного типа, и только прямоугольной формы для кирпичных печей и дымоходов.

Редкость на рынке — чугунные шиберы круглой формы, которые подходят для установки на чугунную топку. Их изготавливает французский завод Invicta.

Среди достоинств чугунных изделий можно выделить долговечность, стойкость к высоким температурам, коррозии и деформации. Многие пишут, что недостатком является большой вес. Действительно, вес у них гораздо больший чем в стальных, и тем более чем из нержавейки. Лично я этот аргумент к недостаткам не отношу, вы же в сумке его носить не будете.

Недостатки шибера

• Дымовые трубы для каминов, имеющие шиберные заслонки гораздо труднее чистить от сажи и копоти.
• При некачественном изготовлении или неправильной установке шиберная заслонка может заедать и клинить из-за термического расширения или попадания на нее частиц сажи.
• Для правильного пользования шибером нужно иметь определенные познания в принципе работы камина, устройства дымохода, способах управления процессом сжигания топлива и регулирования тяги.

Автор статьи Песков Игорь

зачем он нужен и как его сделать своими руками

Шибер — это на самом деле просто заслонка в дымоходе. Подвижная пластина шибера повторяет сечение дымовой трубы и может полностью или частично её перекрыть.

В современных печах, которые продаются сейчас в магазинах в готовом виде, как правило, уже стоит шибер — он входит в комплект. Но при необходимости его можно купить отдельно или сделать самостоятельно.

Содержание статьи

Для чего нужен шибер?

Основная функция шибера на дымоходе — регулировка тяги. При недостаточной тяге (а она может быть недостаточной, например, при безветрии и тёплой погоде на улице) шибер приоткрывается. При избыточной тяге, наоборот, закрывается. То есть, меняя положение шибера, можно уменьшать или увеличивать поток воздуха.

Шибер для дымохода помогает сохранять драгоценное тепло в банной печи или камине. Если, допустим, дрова уже прогорели, шибер можно прикрыть и тогда всё тепло пойдёт в помещение, а не вылетит в трубу. В противном случае печь остынет гораздо быстрее.

Есть и ещё один ответ на вопрос, зачем нужен шибер: многие умело им пользуются для экономии топлива. Когда дрова разгорятся, заслонку необходимо чуть-чуть прикрыть — это обеспечит более долгое и эффективное горение.

После топки специалисты тоже рекомендуют перекрывать дымовой канал шибером. Пока печка не используется, лучше оставлять её в закрытом состоянии.

Виды

Можно выделить два вида шиберов, которые отличаются друг от друга по конструктивным особенностям: выдвижные и поворотные. В продаже встречаются изделия обоих видов.

Выдвижные

Выдвижные шиберы считаются наиболее надёжными и удобными в эксплуатации. Конструкция такого шибера представляет собой гладкую, тонкую, двигающуюся в пазу дымохода пластину. Сила тяги зависит от её движений, то есть от увеличения или уменьшения сечения трубы.

Интересно, что в некоторых моделях в самой задвижке тоже есть небольшой вырезанный участок. Даже если полностью закрыть такую задвижку, всё равно останется небольшое пространство для выхода угарного газа наверх.

Монтируется пластина выдвижного шибера строго горизонтально. Причём для её монтажа не требуется больших усилий и специальных знаний. Предназначены данные шиберы для печек из кирпича, хотя могут применяться и в дымоходах из стали.

Поворотные

Шибер поворотного или дроссельного типа — это пластина из металла с поворотной осью, присоединённой к этой пластине методом сварки строго по центру. Данный шибер характеризует то, что конец поворотной оси всегда выводится наружу, а регулировка уровня тяги производится путём кругового вращения пластины. При повороте на 90 градусов она принимает вертикальное положение и практически не препятствует движению дыма. При повороте ещё на 90 градусов — воздушный поток вновь закрывается.

Как правило, поворотные модели применяют в металлических дымоходах. И, пожалуй, главный их минус состоит в том, что с течением лет сварочное крепление здесь может ослабнуть и заслонка просто оторвётся от прута оси.

Материалы

Материалы, из которых делаются шиберные задвижки, — это важная вещь. Наиболее востребованными здесь являются металлы, которые могут выдерживать достаточно высокие температуры — речь идёт о чугуне и качественной нержавеющей стали.

Чугун

Именно чугун традиционно в течение нескольких столетий применяли для изготовления шиберов — это действительно прочный и надёжный материал. И сегодня тоже можно найти значительный ассортимент изделий из разных марок чугуна (в конечном счёте именно от марки, а также от технологии литья зависит качество сплава).

Все чугунные шиберы имеют очевидный минус — большую массу. Это затрудняет их самостоятельный монтаж. В целом такие шиберы рекомендуется ставить исключительно на кирпичные печки.

Нержавейка

Стальные шиберы, по сравнению с чугунными, весят не так уж много. Они имеют долгий срок службы, не снижают КПД печи, свободно выдерживают воздействие горячих дымовых газов. Для стальных нержавеющих сплавов не представляет опасности плюсовая температура в несколько сотен градусов, они стойки к коррозии, что тоже является достоинством.

У стальной шиберной задвижки для дымохода есть ещё одно важное свойство — низкий коэффициент терморасширения. Это значит, что деталь не будет менять своих габаритов при изменении температуры в дымоходе. При этом надо понимать, что шиберная заслонка, выполненная из нержавейки, — не самый дешёвый вариант.

Изготовление своими руками

Считается, что удобнее использовать заводские шиберы — сейчас их можно подобрать практически под любую конструкцию дымохода. Но при желании и выдвижной, и поворотный шибер возможно сделать своими руками. Для этого понадобится болгарка и хороший сварочный агрегат.

Обратите внимание! Вне зависимости от того, какую именно конструкцию задвижки предпочтёт домашний мастер, он должен сначала провести точные замеры — это важное условие.

Если заслонка будет входить в трубу чересчур плотно, её может заклинить от жары. Если же между пластиной и трубой останется слишком много пространства, регуляция тяги заметно усложнится.

Выдвижной вариант

Самодельный выдвижной шибер должен включать в себя два элемента — саму заслонку и рамку. Прямоугольную заслонку можно вырезать из листа стали толщиной около 5 мм. С одной её стороны также нужно сделать сгиб шириной от 20 мм, чтобы изделие было проще держать, задвигать и выдвигать.

Все кромки на заслонке необходимо тщательным образом отшлифовать. Эта процедура должна обеспечить шиберу лёгкость движений внутри дымохода.

Если дымоход сделан из стали и выполнен в форме квадрата или прямоугольника, рамку делают из стальных полосок толщиной 2 мм и шириной от 30 до 35 мм. Их разрезают и сваривают таким образом, чтобы получилась подходящих размеров заготовка в виде буквы П. Затем концы этого профиля соединяют ещё двумя полосками металла. Причём располагают их таким образом, чтобы между ними без затруднений двигалось полотно заслонки. В итоге должна получиться ровная рамка с пазом. Внутренний периметр рамки обязан быть равен размерам дымохода.

Круглый выдвижной шибер делается по другому принципу. Для него берут два стальных листа (толщина 2 мм). Потом в каждом из этих листов вырезают отверстие, идентичное диаметру трубы. Листы необходимо соединить сваркой с трёх сторон так, чтобы границы отверстий совпадали и чтобы между листами тем не менее сохранялся зазор примерно в 5 мм. Именно в этот зазор будет вставляться пластина задвижки (она подготавливается отдельно).

Поворотная конструкция

Поворотная вариация шибера создаётся из стальных уголков и листов стали такой же толщины, как для выдвижной конструкции:

• в соответствии с результатами замеров дымохода из двух уголков сваривают раму;
• в центре одной из четырёх сторон рамы сверлят отверстие диаметром в несколько миллиметров под поворотную ось. Такого же размера отверстие надо просверлить и на второй, параллельной стороне;
• из стали вырезается пластина для шибера, причём она должна идеально сочетаться с уже готовой рамой;
• чтобы создать поворотную ось, следует взять подходящий отрезок толстой проволоки (допустим, 6 мм в диаметре). Длина этого отрезка обязательно должна превышать длину рамки как минимум на 5 см;
• далее на одном конце металлического прута оси следует плашкой сделать резьбу. Потом этот прут нужно продеть в отверстия на раме и зафиксировать гайкой;
• теперь следует заняться пластиной — обработать срезы, отшлифовать и вставить в раму.

Следующий этап — приваривание поворотной оси к пластине. Кроме того, чтобы ось не болталась слишком свободно, можно в отверстие вставить ещё и металлические втулки. Напоследок для большего удобства рекомендуется сделать из чего-нибудь ненужного ручку для проволоки оси.

Установка

Желательно, чтобы задвижка в печной или каминной трубе располагалась на высоте до метра от места топки — это наилучший вариант. А в целом порядок действий по установке на трубу должен быть таким.

Сначала к патрубку топки присоединяется первый сегмент трубы (если патрубок имеет горизонтальное положение) или тройник (если положение патрубка вертикальное). Стыки смазывают герметиком с повышенной стойкостью к высоким температурам.

Затем сверху на тройник или трубу устанавливают непосредственно шибер. После этого на шибер надевают ещё один отрезок дымоходной трубы. Сам этот отрезок в свою очередь будет присоединяться к дымоходу.

Дополнительно закреплять чем-то стыки вряд ли понадобится, так как все части конструкции совмещаются друг с другом достаточно плотно. Приведённый способ установки актуален для шиберов любой конструкции.

Установка шиберной задвижки своими руками

Краткое содержание

т один ряд из кирпичейШибер играет одну из главных ролей в дымоходе, назначение которого — регулировка тяги. Хорошая тяга означает, что КПД всей отопительной системы будет отличным и экономия топлива станет очевидной.

Что это такое?

Шибер представляет собой обычную стальную задвижку, которая установлена в трубе внутри помещения, и находится от топки (камина, печи) на расстоянии до 1 метра. Шибер — это выдвижная система, расположенная в горизонтальном положении, которая меняет сечение дымохода. Кроме обычных печных шиберов, такая задвижка устанавливается в дымоходных системах одно-двустенных отопительных котлов.

После топки специалисты тоже рекомендуют перекрывать дымовой канал шибером. Пока печка не используется, лучше оставлять её в закрытом состоянии.

Виды

Можно выделить два вида шиберов, которые отличаются друг от друга по конструктивным особенностям: выдвижные и поворотные. В продаже встречаются изделия обоих видов.

Выдвижные

Выдвижные шиберы считаются наиболее надёжными и удобными в эксплуатации. Конструкция такого шибера представляет собой гладкую, тонкую, двигающуюся в пазу дымохода пластину. Сила тяги зависит от её движений, то есть от увеличения или уменьшения сечения трубы.

Интересно, что в некоторых моделях в самой задвижке тоже есть небольшой вырезанный участок. Даже если полностью закрыть такую задвижку, всё равно останется небольшое пространство для выхода угарного газа наверх.

Монтируется пластина выдвижного шибера строго горизонтально. Причём для её монтажа не требуется больших усилий и специальных знаний. Предназначены данные шиберы для печек из кирпича, хотя могут применяться и в дымоходах из стали.

Поворотные

Шибер поворотного или дроссельного типа — это пластина из металла с поворотной осью, присоединённой к этой пластине методом сварки строго по центру. Данный шибер характеризует то, что конец поворотной оси всегда выводится наружу, а регулировка уровня тяги производится путём кругового вращения пластины. При повороте на 90 градусов она принимает вертикальное положение и практически не препятствует движению дыма. При повороте ещё на 90 градусов — воздушный поток вновь закрывается.

Как правило, поворотные модели применяют в металлических дымоходах. И, пожалуй, главный их минус состоит в том, что с течением лет сварочное крепление здесь может ослабнуть и заслонка просто оторвётся от прута оси.

Материалы

Материалы, из которых делаются шиберные задвижки, — это важная вещь. Наиболее востребованными здесь являются металлы, которые могут выдерживать достаточно высокие температуры — речь идёт о чугуне и качественной нержавеющей стали.

Чугун

Именно чугун традиционно в течение нескольких столетий применяли для изготовления шиберов — это действительно прочный и надёжный материал. И сегодня тоже можно найти значительный ассортимент изделий из разных марок чугуна (в конечном счёте именно от марки, а также от технологии литья зависит качество сплава).

Все чугунные шиберы имеют очевидный минус — большую массу. Это затрудняет их самостоятельный монтаж. В целом такие шиберы рекомендуется ставить исключительно на кирпичные печки.

Нержавейка

Стальные шиберы, по сравнению с чугунными, весят не так уж много. Они имеют долгий срок службы, не снижают КПД печи, свободно выдерживают воздействие горячих дымовых газов. Для стальных нержавеющих сплавов не представляет опасности плюсовая температура в несколько сотен градусов, они стойки к коррозии, что тоже является достоинством.

У стальной шиберной задвижки для дымохода есть ещё одно важное свойство — низкий коэффициент терморасширения. Это значит, что деталь не будет менять своих габаритов при изменении температуры в дымоходе. При этом надо понимать, что шиберная заслонка, выполненная из нержавейки, — не самый дешёвый вариант.

Изготовление своими руками

Считается, что удобнее использовать заводские шиберы — сейчас их можно подобрать практически под любую конструкцию дымохода. Но при желании и выдвижной, и поворотный шибер возможно сделать своими руками. Для этого понадобится болгарка и хороший сварочный агрегат.

Обратите внимание! Вне зависимости от того, какую именно конструкцию задвижки предпочтёт домашний мастер, он должен сначала провести точные замеры — это важное условие.

Если заслонка будет входить в трубу чересчур плотно, её может заклинить от жары. Если же между пластиной и трубой останется слишком много пространства, регуляция тяги заметно усложнится.

Выдвижной вариант

Самодельный выдвижной шибер должен включать в себя два элемента — саму заслонку и рамку. Прямоугольную заслонку можно вырезать из листа стали толщиной около 5 мм. С одной её стороны также нужно сделать сгиб шириной от 20 мм, чтобы изделие было проще держать, задвигать и выдвигать.

Все кромки на заслонке необходимо тщательным образом отшлифовать. Эта процедура должна обеспечить шиберу лёгкость движений внутри дымохода.

Если дымоход сделан из стали и выполнен в форме квадрата или прямоугольника, рамку делают из стальных полосок толщиной 2 мм и шириной от 30 до 35 мм. Их разрезают и сваривают таким образом, чтобы получилась подходящих размеров заготовка в виде буквы П. Затем концы этого профиля соединяют ещё двумя полосками металла. Причём располагают их таким образом, чтобы между ними без затруднений двигалось полотно заслонки. В итоге должна получиться ровная рамка с пазом. Внутренний периметр рамки обязан быть равен размерам дымохода.

Круглый выдвижной шибер делается по другому принципу. Для него берут два стальных листа (толщина 2 мм). Потом в каждом из этих листов вырезают отверстие, идентичное диаметру трубы. Листы необходимо соединить сваркой с трёх сторон так, чтобы границы отверстий совпадали и чтобы между листами тем не менее сохранялся зазор примерно в 5 мм. Именно в этот зазор будет вставляться пластина задвижки (она подготавливается отдельно).

Поворотная конструкция

Поворотная вариация шибера создаётся из стальных уголков и листов стали такой же толщины, как для выдвижной конструкции:

• в соответствии с результатами замеров дымохода из двух уголков сваривают раму;
• в центре одной из четырёх сторон рамы сверлят отверстие диаметром в несколько миллиметров под поворотную ось. Такого же размера отверстие надо просверлить и на второй, параллельной стороне;
• из стали вырезается пластина для шибера, причём она должна идеально сочетаться с уже готовой рамой;
• чтобы создать поворотную ось, следует взять подходящий отрезок толстой проволоки (допустим, 6 мм в диаметре). Длина этого отрезка обязательно должна превышать длину рамки как минимум на 5 см;
• далее на одном конце металлического прута оси следует плашкой сделать резьбу. Потом этот прут нужно продеть в отверстия на раме и зафиксировать гайкой;
• теперь следует заняться пластиной — обработать срезы, отшлифовать и вставить в раму.

Следующий этап — приваривание поворотной оси к пластине. Кроме того, чтобы ось не болталась слишком свободно, можно в отверстие вставить ещё и металлические втулки. Напоследок для большего удобства рекомендуется сделать из чего-нибудь ненужного ручку для проволоки оси.

Установка

Желательно, чтобы задвижка в печной или каминной трубе располагалась на высоте до метра от места топки — это наилучший вариант. А в целом порядок действий по установке на трубу должен быть таким.

Сначала к патрубку топки присоединяется первый сегмент трубы (если патрубок имеет горизонтальное положение) или тройник (если положение патрубка вертикальное). Стыки смазывают герметиком с повышенной стойкостью к высоким температурам.

Затем сверху на тройник или трубу устанавливают непосредственно шибер. После этого на шибер надевают ещё один отрезок дымоходной трубы. Сам этот отрезок в свою очередь будет присоединяться к дымоходу.

Дополнительно закреплять чем-то стыки вряд ли понадобится, так как все части конструкции совмещаются друг с другом достаточно плотно. Приведённый способ установки актуален для шиберов любой конструкции.

Установка шиберной задвижки своими руками

Краткое содержание

т один ряд из кирпичейШибер играет одну из главных ролей в дымоходе, назначение которого — регулировка тяги. Хорошая тяга означает, что КПД всей отопительной системы будет отличным и экономия топлива станет очевидной.

Что это такое?

Шибер представляет собой обычную стальную задвижку, которая установлена в трубе внутри помещения, и находится от топки (камина, печи) на расстоянии до 1 метра. Шибер — это выдвижная система, расположенная в горизонтальном положении, которая меняет сечение дымохода. Кроме обычных печных шиберов, такая задвижка устанавливается в дымоходных системах одно-двустенных отопительных котлов.

Заслонка с ревизионным окном

Грамотно рассчитанный и установленный шибер позволяет использовать эффективно и на полную мощность отопительную систему в помещении. Специалисты не рекомендуют дополнительно утеплять трубу, где находится задвижка, так как это место подвержено сильному нагреву, и из-за чего шибер часто заклинивает. Такое приспособление не устанавливают в местах, где нагнетается подача приточного воздуха. Конструкция идеально подходит для печи или камина.

Есть другой вид заслонки — на оси (поворотный механизм), находящийся внутри трубы. Но его вряд ли можно назвать полноценным  шибером, так как он полностью закрывает трубу, к тому же имеет плохую репутацию из-за низкого качества. У такого вида заслонки часто отгорают сваренные швы. Здесь зависит от производителя, лучшее приобретение — поворотный заслон из нержавейки.

Есть мастера, которые своими руками способны сделать фиксатор на дросселе, тем самым меняют и фиксируют положение с помощью цепочки. Такое устройство можно использовать при газовом отоплении, что обезопасит от случайного выхода пламени из печи.

Принцип работы

Задвижка выполняет функцию регулировки тяги — перекрывает или открывает дымоходный канал, что позволяет сохранять тепло в помещение долгое время. После топки задвижку закрывают совсем, что не опасно, так как на устройствах предусмотрен зазор для безопасности, чтобы угарный газ не собирался внутри помещения.

При избыточной тяге задвижку следует немного перекрыть, давая прогреться стенам за счет изменения интенсивности горения и задержки нагретого дыма в канале. Таким образом также получится экономить топливо и в то же время поддерживать благоприятную температуру в доме. Когда есть задымления либо в помещении чувствуется запах угарного газа, то нужен осмотр всей дымовой системы, включая шибер, в котором чаще всего в таких случаях есть налет из сажи.

Задвижка из нержавейки — хороший вариант

Регулировочные задвижки часто изготавливают из чугуна, такими шиберами оснащены практически все печи в деревнях на территории России. На самом деле из чугуна сделан сам корпус и салазки, на которых двигается стальной заслон и может быть сделан из нержавеющей стали.

Шибер для дымохода печи или камина полностью выполненный из нержавеющей стали может выдерживать до 1000 °С, и при этом имеет малый коэффициент термической расширяемости, который не позволит ему деформироваться. К тому же благодаря гладкой поверхности на нем не собирается сажа, что позволяет достичь высокой эффективности всей отопительной системы, так как на пути следования дымовых газов не образуются задержки в виде сажных наслоений.

Задвижки из нержавеющей стали можно ставить в любой отопительной системе, если ее использовать в газовом отоплении, то нужно следить, чтобы задвижка была открыта минимум на 40%.

Заслонка своими руками

Шибер для дымохода своими руками сделать не сложно, – для этого нужен замер дымоходной трубы, по этим размерам вырезать фрагмент, который и будет заслонкой. Для заслонки лучше выбрать нержавеющую сталь, высверлить в ней отверстие или вкрутить какую-нибудь симпатичную ручку, главное, чтобы она выдерживала некоторую температуру.

Следующий этап — это сварить рамку для заслонки, здесь нужен уголок либо металлические полосы шириной до 20- 40 мм. Сварить конструкцию, чтобы заслонка свободно двигалась по уголкам, входное отверстие подогнать по ширине и толщине заслонки. Не забудьте приварить фиксатор. Дело в том, что задвижка не должна закрываться до конца. Мастера советуют при полном закрытии заслонки должно оставаться 15-20% зазора — для безопасности.

Сделать любой шибер для дымохода своими руками не составляет труда, даже поворотный, но при установке на готовые печи или камины приходится разбирать кирпичную кладку. Даже при монтировании в баню тоже придется повозиться с замерами и установкой.

Как самостоятельно установить?

Такая заслонка для дымохода своими руками обычно устанавливается вместе с возведением печи, а происходит это так:

1. выкладывают один ряд из кирпичей,
2. кладут шибер на кирпичный ряд, предварительно вырезав под него место,
3. в кирпиче также вырезается паз для ручки,
4. выкладывается второй кирпичный ряд (кладите столько раствора, чтобы не было зазоров и щелей).

Правила безопасности

При полном закрытии заслонки угарный газ проникает в помещение – его не видно, не слышно, бывает, что нет запаха. Исключение может составлять задвижка с фиксатором. В банной печи закрывать заслонку не стоит, пока не прогорят дрова и угли не покроются слоем пепла.

При выборе вида шибера учитывайте его недостатки, к примеру, подумайте, если у вас прямой дымоход, то вам будет трудно избавляться от сажи.

Перед тем как сделать конструкцию и устанавливать своими руками, посоветуйтесь со специалистом, который вычислит уровень тяги вашей печи. Для этого профессионалы пользуются специальной формулой. Берегите себя!

Видео: Регулятор тяги

Главный редактор сайта. Профессиональный печник со стажем 8 лет.

Шибер для стального модульного дымохода

Шибер дымохода

Современная отопительная печь состоит из очага, дымохода и вспомогательных элементов, к которому относится шибер. Этот элемент выполняет функцию регуляции тяги в трубе. Он лучше вьюшки обеспечивает регуляцию пропуска тяги в трубу. Считается, что лучше всего шибер изготавливать из стали, поскольку она хорошо спасает изделие от коррозии и других воздействий агрессивных веществ.

Часто шибер в каминах отсутствует и у потребителя встает объективный вопрос о целесообразности его установки. Необходимость установки шибера обусловлена следующими факторами:

— шиберная заслонка регулирует движение горючих газов, что очень важно при неравномерном процессе горения;

— открывает дымовой канал для начала топки;

— при слишком большом сечении дымохода шиберная заслонка позволяет регулировать силу тяги путем прикрывания дымового канала;

— различные модели топок предполагают переведение камина в режим «медленного горения», чему способствует шиберная заслонка. Она перекрывает дымовой канал после окончания горения дров.

Задвижка дымохода

Задвижки дымохода бывают поворотные и горизонтальные. Поворотная заслонка традиционно используется в каминостроении. Она представляет собой пластину, которая закрепляется на вращающейся оси, расположенной внутри дымохода. Горизонтальная задвижка обычно встраивается в кирпичный дымоход, но иногда монтируется и в некоторых моделях стальных дымоходов. Шиберная заслонка по требованиям СНиП не должна полностью перекрывать дымоход, для этого в ней сделаны специальные отверстия. Шибер считается комплектующей частью дымоходной системы и применяется в одно- и двухконтурных дымоходах.

Отопительная система предполагает шибер, встроенный в конструкцию топки, соединенный с другими его элементами. Он устанавливается на расстоянии, близком к топке (в метре от дымоходной трубы). Это помогает легкому управлению конструкцией.

Во время горения дров в топке шибер дымохода находится в открытом или полуоткрытом состоянии. Современные топки оборудованы шиберами с механической блокировкой, при которой положение «закрыто» предполагает движение горючих газов.

К преимуществам шибера относится возможность регуляции силы тяги, что устраняет возможность отравления угарным газом.

Шибер для дымохода: задвижка как регулятор тяги

Камин и баня уже достаточно давно перестали быть роскошью. Загородный дом или дача без собственной бани сегодня уже редкость. Каждый владелец старается создать в доме такую обстановку, которая бы максимально соответствовала его представлению об уюте и комфорте.

Не каждый может позволить себе приобрести эксклюзивный камин или заказать постройку бани, так как эти товары на сегодняшний день все еще остаются достаточно дорогими. Но и баню, и камин можно изготовить своими руками. Конечно же, для выполнения работ своими руками нужны не только практические навыки, но и теоретические знания. В частности, нужно выяснить, что такое шиберная задвижка для дымохода.

Что такое шибер?

1. По сути,  шибер для дымохода – это обычная задвижка, назначение которой — регулировка тяги в дымоходе.  Можно устанавливать шибер для дымохода как в системах одностенных котлов, так и в системах двустенных отопительных приборов.
2. Устанавливают шибер для дымохода, как правило, на первом метре трубы, потому что именно он обычно остается неутепленным. Установленная задвижка позволяет добиться максимально эффективной работы отопительного оборудования.

   Классический шибер

Не рекомендуется установка шибера на ту часть трубы, которая утеплена, так как из-за термического расширения внутренней и внешней трубы поворотный механизм может заклинить.

Для чего устанавливается шибер?

1. Он выполняет функции заслонки регулятора, наличие которой позволяет частично перекрывать сечение дымоходного канала. Таким образом, шиберная задвижка для дымохода дает возможность перекрывать дымовой канал после топки. Если на данный момент дымоход не эксплуатируется, шибер находится в закрытом положении.
2. Шибер выполняет функции регулятора тяги в дымоходе, то есть выступает в роли регулирующей заслонки по ходу дыма. Если тяга избыточна, задвижка также выступает в роли регулятора. Интенсивность тяги изменяется следующим образом: прикрывая выдвижной или поворотный шибер, можно увеличивать или уменьшать сечение дымового канала.
3. Шиберная задвижка для дымохода также является регулятором горения в топке камина. Его установка дает возможность контролировать дымовые газы и воздушные потоки в дымоходе приборов, особенности конструкций которых препятствуют регулированию процесса сгорания дров.
   

   Не устанавливается шибер в тех конструкциях, где горение в топливнике происходит вследствие подачи приточного воздуха.

Шибер открыт:   Шибер закрыт:

Преимущества и технические характеристики

Регулировочные заслонки для дымоходов, в большинстве случаев, изготавливаются из нержавеющей стали толщиной один миллиметр. Поверхность задвижки полированная, практически идеально гладкая, что значительно облегчает процесс очистки от сажи.

Шибер, изготовленный из такой стали. способен выдерживать температуру до 900 градусов Цельсия. Гладкая поверхность шибера позволяет достичь максимальной эффективности работы оборудования, так как обеспечивает отличную тягу и не создает препятствий на пути дымовых газов.

1. Также шибер из нержавеющей стали с такими характеристиками имеет высокую устойчивость к коррозийным процессам, отличные механические и прочностные характеристики и низкий коэффициент термического расширения. Последняя из перечисленных характеристик позволяет обеспечить наименьшее изменение размеров изделия при колебаниях температур.
2. Шиберы из нержавеющей стали обладают высокой теплопроводностью, что дает возможность максимально эффективно использовать их в системах теплообмена. Стыковые швы на заслонках для дымоходов выполняются методом вальцовки.

   Схема шибера

3. Стандартная заслонка для дымохода из нержавеющей стали перекрывает сечение дымового канала на 85 процентов. Такой процент является оптимальным для эффективного выведения угарных газов. Это крайне важно в таких помещениях, как бани, так как позволяет существенно повысить безопасность нахождения в них.

Разновидности шибера

Существуют две модели шибера, отличающиеся друг от друга некоторыми конструктивными особенностями.

1. Горизонтальный выдвижной шибер позволяет регулировать процесс путем выдвижения пластины, таким образом изменяя площадь сечения дымового канала. Данная модель чаще всего устанавливается в кирпичных дымоходах горизонтально. Существуют также специальные модели для дымоходов, которые изготовлены из нержавеющей стали. В перекрывающей пластине выдвижного шибера есть отверстия (либо выпиленный сегмент). Их наличие объясняется тем, что даже в закрытом положении шиберная заслонка не должна полностью закрывать канал. Это соответствует требованиям строительных норм и правилам пожарной безопасности.

   Поворотный шибер

2. Поворотный шибер (дроссельная заслонка) — это заслонка классического типа. Она представляет собой пластину, закрепленную на вращающейся оси, находящейся внутри патрубка или дымовой трубы.

И выдвижная, и поворотная шиберная задвижка для дымохода может быть изготовлена своими руками. Для выполнения работы потребуется болгарка и сварочный аппарат. Собрать эти конструкции своими руками несложно, главное правильно сделать замеры. Если замеры были точными, то установка готового шибера своими руками не вызовет затруднений.

Варианты расположения шибера

Самыми распространенными вариантами установки шибера являются:

1. Шибер, встроенный непосредственно в конструкцию (расположен в топке как отдельный элемент либо в выходном патрубке). В данном случае заслонка для дымохода устанавливается на первом метре, то есть на ближайшем к отопительному прибору отрезке. При таком расположении максимально легко управлять задвижкой, так как стержень ручки не задевает облицовку и портал.
2. Расположенный в дымоходе шибер соединяется с другими элементами без дополнительного крепления, методом «труба в трубу».
3. Прежде чем устанавливать шибер своими руками, нужно учесть, что данная конструкция может иметь и некоторые недостатки. Например, при прямом дымоходе будет тяжело чистить топку от сажи. Также в некоторых моделях шибер может изредка заклинивать.

Как вам статья?

Алексей Петрович

Задать вопрос

за и против ⋆ MiyKamin

Любой владелец камина знает, что перед тем как развести огонь в изделие, необходимо открыть заслонку дымохода (шибер), а когда он погаснет, закрыть.  Однако далеко не все шиберы одинаково эффективно выполняют свою работу. В некоторых случаях такие заслонки приносят больше вреда, чем пользы. Но не будем делать поспешных выводов, а разберёмся в вопросе. Сегодня мы рассмотрим, что такое шибер и нужен ли он в камине вообще.

pinterest

Что такое шибер и зачем он нужен

Начнём с определения. Шибер — это регулируемая, металлическая заслонка в дымоходе, которая перекрывает дымоходный канал. Это нужно для того, чтобы поменять интенсивность горения и уменьшить скорость потока дымовых газов. Помимо этого шибер препятствует вытягиванию воздуха из вашего дома через дымовую трубу, а также наоборот, не позволяет наружным потокам воздуха проникать в дом. Однако, когда заслонка работает не эффективно это грозит сразу двумя проблемами: неприятным запахом, который будет проникать из дымохода в дом и высокими коммунальными расходами.

Как правило, заслонка для дымохода расположена чуть выше камина на входе в дымоход. Она образует уплотнение, которое не позволяет проходить потокам воздуха. Однако из-за постоянного воздействия тепла и влаги шибер может деформироваться, став абсолютно неэффективным и бесполезным устройством. Но как узнать, в каком состоянии находиться ваш шибер? Сделать это довольно легко, всё что вам понадобиться это любая купюра, например 20 гривен или один доллар. Чтобы выяснить насколько плотно прилегает задвижка в вашем камине, оставьте купюру между пластинами шибера и плотно закройте его. Теперь попробуйте вытащить деньги. Если купюра легко выдвигается, задвижка определенно пропускает много воздуха.

Если использовать деньги для эксперимента вы не хотите есть ещё один эффективный способ. Для него вам понадобятся только спички. Зажгите ее в камине и сразу же погасите. Взгляните внимательно, куда уходит дым от спички, если он поднимается по трубе, это признак того, что вы теряете много тепла.

Известно, что каминные заслонки большую часть времени остаются открытыми, а это значит, что нагретый воздух из дома постоянно выходит по трубе на улицу. Из-за этого затраты на отопление увеличиваются минимум на 30%. Поэтому не забывайте закрывать шибер, после того, как огонь погаснет.  Ещё одной проблемой является частично закрытые заслонки во время работы камина. Так делать не стоит, шибер должен быть открыт, чтобы огонь получал достаточное количество воздуха для чистого горения.

pinterest

Достоинства и недостатки шибера

Что такое подвижная заслонка в дымоходе и для чего она нужна, вроде разобрались. Однако пока что до конца не понятно нужна она или нет. Чтобы это выяснить мы приведем все известные нам достоинства и недостатки данного элемента. Начнём, как всегда, с плюсов, к ним можно отнести:

1. Заслонка в дымоходе. Это прекрасный регулятор, который закрывает и открывает дымовой канал, позволяя регулировать работу камина. Открытое положение разрешает развести огонь, закрытое запрещает.
2. Регулирует процесс сгорания дров. Шибер — это  дополнительная возможность регулировать потоки воздуха и дымовых газов, которые проходят по дымовой трубе. Хотя как показывает практика, это не всегда возможно. Дело в том, что у поворотной заслонки существует только два положения: открыто или закрыто, а вот установить задвижку где-то посередине не так уж и легко.

Минусы шибера:

1. Неудобно чистить дымоход от смолы. Сделать это через топку практически невозможно. Плюс ко всему шибер иногда может заклинить.
2. Нужно обладать определённым набором знаний — как работает камин, дымоход, режим и процесс горения, изменения тяги и т.д.

Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод: шибер — это не идеальное устройство, в нём есть свои недостатки, но, тем не менее, он необходим для нормальной работы камина.

Logic NAND Gate с таблицей истинности NAND Gate

Логический элемент И-НЕ (не-И) имеет выход, который обычно находится на логическом уровне «1» и переходит от «НИЗКИЙ» к логическому уровню «0» только тогда, когда ВСЕ его входов находятся на логическом уровне «1». Логический элемент И-НЕ — это обратная или «-комплементарная » форма логического элемента И, который мы видели ранее.

Логическая эквивалентность шлюза NAND

Логическое или логическое выражение, данное для логического элемента И-НЕ, — это выражение для логического сложения , которое является противоположным логическому элементу И и которое оно выполняет для дополнений входов.Логическое выражение для логического элемента И-НЕ обозначается одной точкой или символом точки, (.) С линией или Overline , (‾‾) над выражением, чтобы обозначить НЕ или логическое отрицание элемента И-НЕ, дающее нам логическое выражение: AB = Q.

Тогда мы можем определить работу логического логического элемента И-НЕ с двумя входами как:

«Если и A, и B истинны, то Q НЕ истинно»

Транзистор NAND Gate

Простой логический вентиль И-НЕ с двумя входами может быть построен с использованием резистивно-транзисторных переключателей RTL, соединенных вместе, как показано ниже, с входами, подключенными непосредственно к базам транзисторов.Для выхода на Q

Логические шлюзы И-НЕ доступны с использованием цифровых схем для создания желаемой логической функции и имеют символ, имеющий форму стандартного логического элемента И с кружком, иногда называемого «инверсионным пузырем» на его выходе для представления логического элемента НЕ. символ с логической операцией логического элемента И-НЕ, заданной как.

Цифровой логический логический элемент «И-НЕ»

Логический вентиль И-НЕ с 2 входами

Логический вентиль И-НЕ с 3 входами

Как и в случае с функцией И, рассмотренной ранее, функция И-НЕ может также иметь любое количество отдельных входов, а имеющиеся в продаже ИС затвора И-НЕ доступны со стандартными типами входов с 2, 3 или 4. Если требуются дополнительные входы, то стандартные логические элементы NAND могут быть соединены вместе, например, для предоставления большего количества входов.

A 4-входная функция NAND

Следовательно, логическое выражение для этого логического элемента И-НЕ с 4 входами будет: Q = A.До н.э.

Если количество требуемых входов нечетное, любые «неиспользуемые» входы можно поддерживать ВЫСОКИМ, подключив их напрямую к источнику питания с помощью подходящих «подтягивающих» резисторов.

Функция Logic NAND Gate иногда известна как функция Sheffer Stroke и обозначается вертикальной чертой или оператором стрелки вверх, например, A NAND B = A | B или A ↑ B.

Универсальный шлюз NAND

Логический вентиль И-НЕ обычно классифицируется как «универсальный» вентиль, поскольку он является одним из наиболее часто используемых типов логических вентилей.Вентили И-НЕ могут также использоваться для создания любого другого типа функции логического элемента, и на практике вентиль И-НЕ составляет основу большинства практических логических схем.

Соединяя их вместе в различных комбинациях, можно, например, сформировать три основных типа логических элементов для функций И, ИЛИ и НЕ, используя только элементы И-НЕ.

Различные логические вентили, использующие только вентили NAND

Наряду с тремя общими типами, описанными выше, вентили Exclusive-OR, Exclusive-NOR и стандартные NOR могут быть сформированы с использованием только отдельных вентилей NAND.

Обычно доступные ИС логического элемента И-НЕ с цифровой логикой включают:

Логические логические логические шлюзы NAND

• 74LS00 Quad 2 входа
• 74LS10 Тройной, 3 входа
• 74LS20 Двойной 4 входа
• 74LS30 Одиночный 8 входов

CMOS Logic NAND Gates

• CD4011 Четыре входа, 2 входа
• CD4023 Тройной, 3 входа
• CD4012 Двойной 4 входа

7400 Четырехканальный логический шлюз NAND с 2 входами

В следующем руководстве по Digital Logic Gates мы рассмотрим функцию цифрового логического логического элемента NOR, используемую в логических схемах TTL и CMOS, а также ее определение логической алгебры и таблицы истинности.

Logic OR Gate с таблицей истинности Logic OR Gate

Выход Q логического элемента «ИЛИ» снова возвращает «НИЗКИЙ» только тогда, когда ВСЕ его входов находятся на логическом уровне «0». Другими словами, для логического элемента ИЛИ любой вход «ВЫСОКИЙ» даст выход «ВЫСОКИЙ» с логическим уровнем «1».

Логическое или булево выражение для логического элемента ИЛИ — это выражение для логического сложения , которое обозначено знаком плюс, (+) дает нам логическое выражение: A + B = Q.

Таким образом, логический элемент ИЛИ можно правильно описать как «вентиль включающего ИЛИ», потому что выход является истинным, когда оба его входа истинны (ВЫСОКИЙ). Тогда мы можем определить операцию логического элемента ИЛИ с 2 входами как:

«Если A или B истинно, то Q истинно»

Транзистор с 2 входами ИЛИ Затвор

Простой логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен с использованием резистивно-транзисторных переключателей RTL, соединенных вместе, как показано ниже, с входами, подключенными непосредственно к базам транзисторов.Любой транзистор должен быть насыщен в состоянии «ВКЛ» для выхода Q

Логические элементы ИЛИ доступны с использованием цифровых схем для создания желаемой логической функции и имеют символ, форма которого представляет собой логическую операцию элемента ИЛИ.

Типы ворот с цифровой логикой «ИЛИ»

Логический вентиль ИЛИ с 2 входами

Логический вентиль ИЛИ с 3 входами

Подобно логическому элементу И, функция ИЛИ может иметь любое количество отдельных входов.Однако коммерчески доступные логические элементы ИЛИ доступны с 2, 3 или 4 типами входов. Дополнительные входы потребуют, например, каскадирования вентилей.

Многоступенчатый вентиль ИЛИ

Следовательно, логическое выражение для этого логического элемента ИЛИ с 6 входами будет:

Q = (A + B) + (C + D) + (E + F)

Другими словами:

A OR B OR C OR D OR E OR F дает

Если количество требуемых входов нечетное, любые «неиспользуемые» входы можно удерживать в НИЗКОМ состоянии, подключив их напрямую к земле с помощью подходящих «понижающих» резисторов.

Обычно доступные ИС с цифровой логикой ИЛИ включают:

CMOS Logic ИЛИ Gates

• CD4071 Quad 2 входа
• CD4075 Тройной 3 входа
• CD4072 Двойной 4 входа

7432 Счетверенный логический вентиль ИЛИ с 2 входами

В следующем руководстве по Digital Logic Gates мы рассмотрим функцию цифрового логического логического элемента НЕ, которая используется в логических схемах TTL и CMOS, а также ее определение логической алгебры и таблицу истинности.

Как работает логический вентиль в микрочипе? Затвор кажется устройством, которое должно открываться и закрываться, но микрочипы выгравированы на кремниевых пластинах, у которых нет движущихся частей. Итак, как ворота открываются и закрываются?

«Те из нас, кто разрабатывает логические вентили для компьютеров, редко вспоминают, как термины, которые мы используем для описания технологий, вошли в обиход.Видение качающегося взад и вперед затвора явно не отражает буквально структуры на кремниевом кристалле. Но причину использования термина «вентиль» для компьютерной логики можно понять, исследуя основную функцию шлюза: управление потоком.

«На ферме ворота могут использоваться для управления« потоком »овец или коз между загонами. В этом случае ворота представляют собой физический барьер, положение которого контролируется фермером. Фермер принимает решение о потоке овец или коз. животных, а затем перемещает физический барьер, чтобы обеспечить желаемый поток.

«В компьютере затвор управляет прохождением электрического тока через цепь. Затвор состоит из транзисторов; транзисторы выбираются разработчиком микросхемы из двух основных типов (транзисторы PMOS и NMOS), которые присутствуют в широко распространенных CMOS (дополнительных металл-оксидный полупроводник). Ток, протекающий через затвор, устанавливает напряжение в определенной точке цепи. Это напряжение представляет собой один «бит» информации. Напряжение может быть высоким (представляющим значение «1») или низкий (представляющий значение «0»).

«Чтобы установить единицу в цепи, ток направляется в цепь (управляется) путем« включения »транзистора PMOS, подключенного между цепью и положительным напряжением питания. Напряжение питания обычно является стандартным для отрасли значением, например 3,3 или 5,0 В. В течение очень короткого интервала, необходимого для переключения логического элемента (порядка наносекунды или миллиардной доли секунды), ток будет течь через транзистор PMOS от положительного источника питания к цепи. .

«Ток, который заряжает узел схемы до 0, направляется от схемы через другой тип транзистора (NMOS), подключенный между схемой и отрицательным напряжением питания или электрическим заземлением. Опять же, ток будет течь через транзистор NMOS. в течение очень короткого интервала, но для NMOS ток находится между цепью и отрицательным источником питания.В любом случае протекание тока приводит к изменению напряжения в цепи, а напряжение в цепи представляет собой бит информации.Итак, когда вентиль управляет потоком тока, он фактически контролирует поток информации.

«Возвращаясь к аналогии между фермой и компьютерным чипом, очевидно, что поток отличается (сельскохозяйственные животные по сравнению с информацией) и что сам затвор отличается (физический барьер по сравнению с транзистором в технологии CMOS). Но Наиболее важным отличием является способ управления потоком: на ферме фермер сбрасывает местоположение ворот, принимая решение, а затем перемещая физический барьер.Поток животных через сложный лабиринт ворот потребует участия фермеров у каждых ворот.

«Но в компьютерном чипе механизм управления — это напряжение на управляющем выводе транзистора. Это напряжение включает транзистор, изменяя его характеристики с разомкнутой цепи (положение« выключено ») на такое, которое может проводить небольшой ток.Это управляющее напряжение, в свою очередь, уже доступно внутри микросхемы как напряжение в точке другой цепи.И, будучи напряжением в цепи, этот механизм управления представляет другой бит информации.

«Подавляющая вычислительная мощность логических вентилей проистекает из того факта, что на выходе любого конкретного логического элемента есть напряжение, которое, в свою очередь, может использоваться для управления другим вентилем. Таким образом, компьютерный чип может быть спроектирован для принятия сложных решений о потоке информации внутри Эта способность позволяет создавать сложные системы, соединяя до миллиона ворот в одной микросхеме. И все это без участия фермеров и движущихся частей ».

Так Нин из IBM T.Исследовательский центр Дж. Ватсона добавляет некоторые дополнительные сведения:

«Логический вентиль в микрочипе состоит из определенного набора транзисторов. Для современных микрочипов используются транзисторы типа, называемые полевым транзистором металл-оксид-полупроводник (MOSFET), а в качестве полупроводника используется кремний. MOSFET имеет три компонента или области: область истока, область стока и область канала, имеющую затвор над ней.Три области расположены горизонтально рядом друг с другом, с областью канала посередине.

«В схеме с логическим вентилем каждый из полевых МОП-транзисторов работает как переключатель. Переключатель замкнут или полевой МОП-транзистор включен, если электрический ток может легко течь от истока к стоку. Переключатель разомкнут, или МОП-транзистор включен. отключается, если электрический ток не может течь от источника к стоку.

«Области истока и стока полевого МОП-транзистора изготовлены так, чтобы они были заполнены электронами, готовыми к переносу тока. С другой стороны, область канала спроектирована так, чтобы в нормальных условиях не было электронов, что блокирует движение тока.Следовательно, в нормальных условиях полевой МОП-транзистор выключен (или открыт), и ток не может течь от истока к стоку.

«Если на затвор (который находится наверху области канала) приложено положительное напряжение, то электроны, которые имеют отрицательный заряд, будут притягиваться к затвору. Эти электроны собираются в области канала полевого МОП-транзистора. чем больше напряжение на затворе, тем больше концентрация электронов в области канала.Существенная концентрация электронов в канале обеспечивает путь, по которому электроны могут легко перемещаться от истока к стоку.Когда это происходит, полевой МОП-транзистор находится в состоянии «включено» (или «закрыт»), и ток может свободно течь от источника к стоку.

«Таким образом, полевой МОП-транзистор в микрочипе включается путем приложения напряжения к затвору, чтобы привлечь электроны в область канала, и выключается путем приложения напряжения к затвору, чтобы оттолкнуть электроны от области канала. заряды в кремнии, но не задействованы механические движущиеся части ».

Ворота с несколькими входами | Логические ворота

Использование логических вентилей

Инверторы и буферы исчерпывают возможности схем затвора с одним входом.Что еще можно сделать с одним логическим сигналом, кроме как его буферизовать или инвертировать? Чтобы исследовать больше возможностей логических вентилей, мы должны добавить больше входных клемм в схемы.

Добавление дополнительных входных клемм к логическому элементу увеличивает количество возможных состояний входа. С вентилем с одним входом, таким как инвертор или буфер, может быть только два возможных состояния входа: либо вход «высокий» (1), либо он «низкий» (0).

Как было упомянуто ранее в этой главе, двухвходной вентиль имеет четыре возможностей (00, 01, 10 и 11).Трехвходовой вентиль имеет восемь возможностей (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111) для состояний входа.

Количество возможных состояний входа равно двум в степени количества входов:

Это увеличение количества возможных входных состояний, очевидно, допускает более сложное поведение затвора. Теперь, вместо простого инвертирования или усиления (буферизации) одного «высокого» или «низкого» логического уровня, выходной сигнал логического элемента будет определяться любой комбинацией единиц и нулей, присутствующей на входных клеммах.

Поскольку так много комбинаций возможно только с несколькими входными клеммами, существует много различных типов вентилей с несколькими входами, в отличие от вентилей с одним входом, которые могут быть только инверторами или буферами. В этом разделе будет представлен каждый базовый тип ворот, показывающий его стандартный символ, таблицу истинности и практическую работу. Фактическая схема TTL этих различных вентилей будет исследована в следующих разделах.

Ворота AND

Один из самых простых для понимания логических элементов с несколькими входами — это элемент И, так называемый, потому что выход этого элемента будет «высоким» (1) тогда и только тогда, когда все входы (первый вход и второй вход и .. .) являются «высокими» (1). Если какой-либо вход (а) имеет «низкий» уровень (0), выход также гарантированно находится в «низком» состоянии.

На случай, если вам интересно, логические элементы И сделаны с более чем тремя входами, но это менее распространено, чем простая разновидность с двумя входами.

Таблица истинности ворот И с двумя входами

Таблица истинности логического элемента И с двумя входами выглядит так:

И работа схемы выборки затвора

То, что эта таблица истинности означает на практике, показано в следующей последовательности иллюстраций, где логический элемент И с двумя входами подвержен всем возможностям входных логических уровней.Светодиод (светоизлучающий диод) обеспечивает визуальную индикацию выходного логического уровня:

Только когда все входы повышены до «высоких» логических уровней, выход логического элемента И становится «высоким», таким образом активируя светодиод только для одного из четырех состояний комбинации входов.

Ворота NAND

Вариант идеи логического элемента И называется вентилем И-НЕ.Слово «И-НЕ» является словесным сокращением слов НЕ и И.

По сути, вентиль И-НЕ ведет себя так же, как вентиль И, с вентилем НЕ (инвертор), подключенным к выходному выводу. Чтобы обозначить эту инверсию выходного сигнала, символ логического элемента И-НЕ имеет пузырь на выходной линии.

Таблица истинности для логического элемента И-НЕ, как и следовало ожидать, в точности противоположна таблице истинности для логического элемента И:

Как и вентили И, вентили И-НЕ имеют более двух входов.В таких случаях применяется тот же общий принцип: выход будет «низким» (0) тогда и только тогда, когда все входы будут «высокими» (1). Если какой-либо вход находится на «низком уровне» (0), на выходе будет «высокий» (1).

Ворота OR

Наш следующий элемент для исследования — это элемент ИЛИ, так называемый, потому что выход этого элемента будет «высоким» (1), если какой-либо из входов (первый вход или второй вход или …) является «высоким» ( 1). Выход логического элемента ИЛИ становится «низким» (0) тогда и только тогда, когда все входы «низкие» (0).

Таблица истинности ворот ИЛИ с двумя входами

Таблица истинности логического элемента ИЛИ с двумя входами выглядит так:

Работа схемы выборки логического элемента ИЛИ

Следующая последовательность иллюстраций демонстрирует функцию логического элемента ИЛИ, при этом 2 входа испытывают все возможные логические уровни. Светодиод (светоизлучающий диод) обеспечивает визуальную индикацию логического уровня выхода затвора:

Состояние любого входа, повышенного до «высокого» логического уровня, приводит к тому, что выход логического элемента ИЛИ становится «высоким», таким образом активируя светодиод для трех из четырех состояний комбинации входов.

Ворота NOR

Как вы могли догадаться, вентиль ИЛИ-ИЛИ с инвертированным выходом, точно так же, как вентиль И-НЕ является вентилем И с инвертированным выходом.

NOR, как и все другие вентили с несколькими входами, которые мы видели до сих пор, могут быть изготовлены с более чем двумя входами. Тем не менее, действует тот же логический принцип: выход становится «низким» (0), если какой-либо из входов становится «высоким» (1). Выход «высокий» (1) только тогда, когда все входы «низкие» (0).

Ворота отрицательного И

Отрицательный элемент И работает так же, как и элемент И, со всеми его входами инвертированными (подключенными через элементы НЕ). В соответствии со стандартным условным обозначением символа затвора, эти перевернутые входы обозначаются пузырьками.

Вопреки первому инстинкту большинства людей, логическое поведение ворот «Отрицательное И» не то же самое, что и ворота И-НЕ. Его таблица истинности фактически идентична вентилю ИЛИ-НЕ:

Ворота отрицательного ИЛИ

Следуя той же схеме, вентиль отрицательного ИЛИ работает так же, как вентиль ИЛИ, со всеми его входами инвертированными.В соответствии со стандартным условным обозначением символа затвора, эти перевернутые входы обозначаются пузырьками. Поведение и таблица истинности логического элемента отрицательного ИЛИ такая же, как и у логического элемента И-НЕ:

Ворота Exclusive-OR

Последние шесть типов ворот представляют собой довольно прямые вариации трех основных функций: И, ИЛИ и НЕ. Однако гейт Exclusive-OR — это совсем другое.

«Исключающее ИЛИ» выдают «высокий» (1) логический уровень, если входы находятся на разных логических уровнях, либо 0 и 1, либо 1 и 0.И наоборот, они выводят «низкий» (0) логический уровень, если входы имеют одинаковые логические уровни.

Шлюз Exclusive-OR (иногда называемый XOR) имеет как символ, так и шаблон таблицы истинности, который является уникальным:

Эквивалентные схемы XOR

Существуют эквивалентные схемы для логического элемента «Исключающее ИЛИ», состоящего из логических элементов «И», «ИЛИ» и «НЕ», как и для логических элементов И-НЕ, ИЛИ-ИЛИ и вентилей с отрицательным входом. Довольно прямой подход к моделированию логического элемента «Исключающее ИЛИ» состоит в том, чтобы начать с обычного логического элемента ИЛИ, а затем добавить дополнительные вентили, чтобы запретить выходу «высокий» уровень (1), когда оба входа «высокие» (1):

В этой схеме последний логический элемент И действует как буфер для выхода логического элемента ИЛИ всякий раз, когда на выходе логического элемента И-НЕ высокий уровень, то есть для первых трех комбинаций состояний входа (00, 01 и 10).Однако, когда оба входа имеют «высокий» (1), логический элемент И-НЕ выводит «низкий» (0) логический уровень, который заставляет последний логический элемент И выдавать «низкий» (0) выход.

Другая эквивалентная схема для логического элемента «Исключающее ИЛИ» использует стратегию двух логических элементов «И» с инверторами, настроенных для генерации «высоких» (1) выходов для входных условий 01 и 10. Последний элемент «ИЛИ» затем разрешает любой из логических элементов «И». «Высокие» выходы для создания окончательного «высокого» выхода:

Исключающее ИЛИ очень полезны для схем, в которых два или более двоичных числа должны сравниваться побитно, а также для обнаружения ошибок (проверка четности) и преобразования кода (двоичного в Грей и наоборот).

Ворота Exclusive-NOR

Наконец, наш последний элемент для анализа — это вентиль Exclusive-NOR, также известный как вентиль XNOR. Это эквивалентно вентилю исключающего ИЛИ с инвертированным выходом. Таблица истинности для этих ворот прямо противоположна таблице истинности для ворот Исключающее ИЛИ:

Как указано в таблице истинности, цель логического элемента «Исключающее ИЛИ-ИЛИ» состоит в том, чтобы выводить «высокий» (1) логический уровень всякий раз, когда оба входа имеют одинаковые логические уровни (00 или 11).

ОБЗОР:

• Правило для логического элемента И: выход «высокий», только если первый вход и второй вход оба «высокий».
• Правило для логического элемента ИЛИ: выход «высокий», если вход A или вход B «высокий».
• Правило для логического элемента И-НЕ: выход , а не «высокий», если и первый вход, и второй вход «высокий».
• Правило для логического элемента ИЛИ-ИЛИ: выход , а не «высокий», если первый или второй вход «высокий».”
• Вентиль «Отрицательное И» ведет себя как вентиль ИЛИ-НЕ.
• Вентиль отрицательного ИЛИ ведет себя как вентиль И-НЕ.
• Правило для логического элемента «Исключающее ИЛИ»: выход «высокий», если входные логические уровни различных .
• Правило для логического элемента «Исключающее ИЛИ-ИЛИ»: выход «высокий», если логические уровни входа равны и .

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

логических ворот | Электроника Клуб

Символы | Таблицы истинности | ИС | НЕ | И | NAND | ИЛИ | NOR | EX-OR | EX-NOR | Комбинации | Подставляя

Следующая страница: Счетные схемы

Введение

Логические вентили обрабатывают сигналы, которые представляют истинных или ложных .Обычно положительное напряжение питания + Vs соответствует истине, а 0 В — ложному. Другие термины, используемые для истинного и ложного состояний, показаны в таблице, лучше всего знать их все.

Ворота идентифицируются по их функции: НЕ, И, ИЛИ, ИЛИ, ИЛИ, EX-OR и EX-NOR. Заглавные буквы обычно используются, чтобы прояснить, что этот термин относится к логическому элементу.

Обратите внимание, что логические вентили не всегда требуются, потому что простые логические функции могут выполняться переключателями или диодами, например:

Символы логического элемента

Есть две серии символов для логических вентилей.Традиционные символы имеют отличительные формы, благодаря которым их легко узнать, они широко используются в промышленности и образовании. Знаки МЭК (Международная электротехническая комиссия), символы представляют собой прямоугольники с символом внутри, показывающим функцию ворот. Они редко используются, несмотря на их официальный статус, но вам, возможно, потребуется узнать их для экзамена.

Входы и выходы

имеет два или более входа, за исключением элемента НЕ, у которого только один вход.Все ворота имеют только один выход. Обычно буквы A, B, C и так далее используются для обозначения входов, а Q используется для обозначения вывода. На этой странице входы показаны слева, а выход — справа.

Обратный круг (o)

Некоторые символы ворот имеют кружок на выходе, что означает, что их функция включает инвертирует вывода. Это эквивалентно пропусканию выхода через вентиль НЕ. Например, символ логического элемента NAND ( N или AND ), показанный справа, одинаков. как символ логического элемента И, но с добавлением инвертирующего круга на выходе.

Таблицы истинности

Таблица истинности — хороший способ показать функцию логического элемента. Он показывает состояния вывода для всех возможных комбинаций состояний ввода. В таблицах истинности обычно используются символы 0 (ложь) и 1 (истина). В приведенной в качестве примера таблице истинности показаны входы и выходы логического элемента И.

Ниже приведены сводные таблицы истинности, показывающие состояния вывода для все типы ворот с 2 и 3 входами. Это может быть полезно, если вы пытаетесь выбрать подходящие ворота.

Сводные таблицы истинности

В этих сводных таблицах истинности ниже показаны состояния выходов для всех типов вентилей с 2 ​​и 3 входами. Обратите внимание, что ворота EX-OR и EX-NOR могут иметь только 2 входа.

Логические ИС

Логические вентили доступны на ИС (микросхемах), которые обычно содержат несколько вентилей. того же типа, например, ИС 4001 содержит четыре логических элемента ИЛИ-НЕ с 2 входами.Существует несколько семейств логических ИС, которые можно разделить на две группы: серии 4000 и серии 74

Для сравнения различных семейств см. Страницу ИС.

Семейства 4000 и 74HC лучше всего подходят для проектов с батарейным питанием, потому что они будут работать с хорошим диапазоном питающих напряжений и потреблять очень мало энергии. Однако, если вы используете их для проектирования схем и исследования логических вентилей помните, что все неиспользуемые входы ДОЛЖНЫ быть подключены к источнику питания. питания (либо + Vs, либо 0V) , это применимо, даже если эта часть IC не используется в цепи!

Дополнительная информация: ИС серии 4000 | ИС 74 серии

Rapid Electronics: 4000 серия | 74 серии

НЕ вентиль (инвертор)

Элемент НЕ может иметь только один вход, а выход является обратным входу.Вентиль НЕ также называется инвертором.

Выход Q является истинным, когда вход A НЕ истинен: Q = НЕ

И ворота

Логический элемент И может иметь два или более входов, его выход является истиной, если все входы истинны. Выход Q является истинным, если оба входа A и вход B истинны: Q = A AND B

вентиль NAND

NAND = N или И .Это логический элемент И с инвертированным выходом, как показано буквой «o» на выходе символа. Логический элемент И-НЕ может иметь два или более входов, его выход истинен, если НЕ все входы истинны. Выход Q является истинным, если вход A И вход B НЕ оба истинны: Q = НЕ (А И В)

OR ворота

Логический элемент ИЛИ может иметь два или более входов, его выход истинен, если хотя бы один вход истинен.Выход Q является истинным, если вход A ИЛИ вход B истинен (или оба из них истинны): Q = A ИЛИ B

NOR ворота

NOR = N или OR .Это логический элемент ИЛИ с инвертированным выходом, как показано буквой «o» на выходе символа. Логический элемент ИЛИ-НЕ может иметь два или более входов, его выход является истиной, если ни один из входов не является истиной. Выход Q является истинным, если НЕ входы A ИЛИ B истинны: Q = НЕ (A ИЛИ B)

Ворота EX-OR

EX включительно — OR .Это похоже на логический элемент ИЛИ, но за исключением того, что оба входа истинны. Выход истинен, если входы A и B — РАЗНЫЕ . Ворота EX-OR могут иметь только 2 входа. Выход Q является истинным, если любой вход A истинен ИЛИ вход B истинен, , но не тогда, когда оба они верны : Q = (A И НЕ B) ИЛИ (B И НЕ A)

Ворота EX-NOR

EX включительно — NOR .Это вентиль EX-OR с инвертированным выходом, как показано буквой «o» на выходе символа. Ворота EX-NOR могут иметь только 2 входа. Выход Q является истиной, если входы A и B — SAME (оба истинны или оба ложны): Q = (A И B) ИЛИ (НЕ A И НЕ B)

Комбинации логических вентилей

Логические вентили можно комбинировать для выполнения более сложных функций.

Например, чтобы создать выходной сигнал Q, который является истинным только тогда, когда вход A является истинным, а вход B — ложным, мы можем объединить вентиль НЕ и вентиль И, как показано.

Q = А И НЕ B

Разработка функции калитки

Таблицы истинности могут использоваться для определения функции комбинации ворот, такой как система, показанная ниже:

Начните с создания таблицы, показывающей все возможные комбинации входов (A, B и C в этом примере) с достаточным количеством дополнительных столбцов для каждого промежуточного вывода (D и E в этом примере), а также окончательного вывода (Q).Затем определите все промежуточные состояния вывода, заполняя таблицу по ходу дела. Эти промежуточные выходы формируют входы для следующих ворот (или ворот), поэтому вы можете использовать их для работы. выводит следующий вывод (ы), в этом примере это конечный вывод (Q).

D = НЕ (A ИЛИ B)
E = B AND C
Q = D OR E = (НЕ (A OR B)) OR (B AND C)

Таблица истинности показывает промежуточные выходы D и E, а также окончательный результат Q.

Замена одного типа ворот на другой

Логические вентили доступны на ИС, которые обычно содержат несколько вентилей одного типа, например, четыре логических элемента NAND с 2 входами или три логических элемента NAND с 3 входами.Это может быть расточительным, если требуется только несколько ворот, если все они не одного типа. Чтобы не использовать слишком много IC вы можете уменьшить количество входов затвора или заменить один тип затвора другим.

Уменьшение количества входов

Количество входов в вентиль можно уменьшить, соединив два (или более) входа вместе. На схеме показан логический элемент И с 3 входами, работающий как вентиль И с двумя входами.

Создание гейта НЕ из логического элемента И-НЕ или НЕ-НЕ

При уменьшении логического элемента НЕ-И или ИЛИ-НЕ до одного входа создается вентиль НЕ.Схема показывает это для логического элемента И-НЕ с 2 входами.

Любые ворота могут быть построены из ворот NAND или NOR

Помимо создания ворот НЕ, ворота И-НЕ или ИЛИ-НЕ можно комбинировать для создания ворот любого типа! Это позволяет построить схему только из одного типа ворот, NAND или NOR. Например, вентиль И — это вентиль И-НЕ, а затем вентиль НЕ (для отмены инвертирующей функции). Обратите внимание, что вентили И и ИЛИ нельзя использовать для создания других вентилей, потому что в них отсутствует функция инвертирования (НЕ).

Чтобы изменить тип ворот , например изменить OR на AND, вы должны сделать три вещи:

• Инвертировать (НЕ) каждый вход.
• Измените тип ворот (ИЛИ на И или И на ИЛИ)
• Инвертировать (НЕ) вывод.

Например, логический элемент ИЛИ может быть построен из входов NOTed, подаваемых в логический элемент И-НЕ (И + НЕ).

эквиваленты ворот NAND

В приведенных ниже схемах показано, как использовать логические элементы И-НЕ для создания вентилей НЕ, И, ИЛИ и ИЛИ:

НЕ сделан из одного логического элемента NAND:

И состоит из двух вентилей NAND:

ИЛИ из трех вентилей NAND:

NOR состоит из четырех вентилей NAND:

Подстановка вентилей в примерную логическую систему

Эта система имеет 3 разных логических элемента (ИЛИ, И и ИЛИ), поэтому требуется три ИС, по одной для каждого типа ворот.

Чтобы перепроектировать эту систему с использованием логических элементов NAND, начните только с замены каждого гейт с его эквивалентом логического элемента NAND, как показано ниже:

Затем упростите систему, удалив соседние пары вентилей НЕ (отмечены X выше). Это может быть сделано, потому что вторые ворота НЕ отменяют действие первых:

Последняя система имеет пять логических элементов NAND и требует двух микросхем (по четыре логических элемента на каждой микросхеме). Это лучше, чем исходная система, для которой требовалось три микросхемы (по одной для каждого типа ворот).

Замена ворот NAND (или NOR) не всегда увеличивает количество ворот, но когда это происходит (как в этом примере), увеличение обычно составляет только одно или два входа. Настоящая выгода заключается в уменьшении количества требуемых микросхем за счет использования только одного типа затвора.

Следующая страница: Счетные схемы | Исследование

Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию. Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому.На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден. Рекламодателям не передается никакая личная информация. Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации. Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google.Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста, посетите AboutCookies.org.

electronicsclub.info © Джон Хьюс 2021 г.

Логические ворота

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Опишите действие логических вентилей.
• • AND, OR, NAND, NOR, NOT, XOR и XNOR.
• • Использование логических выражений.
• • Использование таблиц истинности.
• Разберитесь в использовании универсальных ворот.
• • NAND.
• • NOR.
• Распознавать общие микросхемы серии 74, содержащие стандартные логические вентили.

Логические ворота

Семь базовых логических вентилей

Рис. 2.1.1 Символы ворот ANSI и IEC

Цифровая электроника полагается на действия всего семи типов логических вентилей, называемых И, ИЛИ, И-НЕ (Не И), ИЛИ (Не ИЛИ), XOR (Исключающее ИЛИ), XNOR (Исключающее ИЛИ) и НЕ.

Рис. 2.1.1 иллюстрирует выбор основных логических вентилей, которые доступны от ряда производителей в стандартных семействах интегральных схем. Каждое семейство логики спроектировано таким образом, чтобы вентили и другие логические ИС в этом семействе (и других связанных семействах) можно было легко комбинировать и встраивать в более крупные логические схемы для выполнения сложных функций с минимумом дополнительных компонентов.

В двоичной логике разрешены только два состояния: 1 и 0 или «включено и выключено».слово НЕ в мире двоичной логики означает «противоположность». Если что-то не 1, это должно быть 0, если оно не включено, оно должно быть выключено. Таким образом, И-НЕ (не И) просто означает, что вентиль И-НЕ выполняет функцию, противоположную вентилю И.

Логический вентиль — это небольшая транзисторная схема, в основном тип усилителя, который реализован в различных формах внутри интегральной схемы. Каждый тип ворот имеет один или несколько (чаще всего два) входа и один выход.

Принцип работы состоит в том, что схема работает всего на двух уровнях напряжения, называемых логическим 0 и логической 1.Эти значения представлены двумя разными уровнями напряжения. В 5-вольтовой логике 1 идеально представлена ​​5 В, а 0 — 0 В, а в 3,3 В логическая 1 идеально представлена ​​3,3 В, а логический 0 — 0 В. Когда любой из этих уровней напряжения подается на входы, выход затвора реагирует, принимая уровень 1 или 0, в зависимости от конкретной логики затвора. Логические правила для каждого типа ворот можно описать по-разному; письменным описанием действия, таблицей истинности или оператором булевой алгебры.

Логические выражения

Рис. 2.1.2 Логические символы для ворот

Действия любого из этих вентилей также можно описать с помощью логических операторов. В них используются буквы из начала алфавита, такие как A, B, C и т. Д., Для обозначения входов и буквы из второй половины алфавита, очень часто X или Y (а иногда Q или P) для обозначения выходных данных. Буквы сами по себе не имеют никакого значения, кроме обозначения различных точек в цепи. Затем буквы соединяются логическим символом, указывающим логическое действие ворот.

Символ • обозначает И, хотя во многих случаях символ • может быть опущен. (A • B может также записываться как AB или A.B)

+ обозначает ИЛИ

⊕ означает XOR (Исключающее ИЛИ)

Хотя символы • и + такие же, как и символы, используемые в нормальной алгебре для обозначения произведения (умножения) и суммы (сложения) соответственно, в двоичной логике символ + не совсем соответствует сумме. В цифровой логике 1 + (ИЛИ) 1 = 1, но двоичная сумма 1 + 1 = 10 ₂ , поэтому в цифровой логике + всегда следует рассматривать как ИЛИ.

Три дополнительных типа логических вентилей дают выходной сигнал, который является инвертированной версией трех основных функций вентилей, перечисленных выше, и они обозначены полосой, нарисованной над оператором, с использованием символов И, ИЛИ или ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ для обозначения И-НЕ, ИЛИ ИЛИ и XNOR.

A • B означает A AND B, но A • B означает A NAND B

Таким образом, действие любого из вентилей может быть описано с помощью его булевого уравнения.

Например, вентиль И дает выход логической 1, когда вход A И вход B находятся на логической 1, но вентиль И-НЕ дает выход логического 0 для тех же условий входа.Также, если вентиль И дает логический ноль для конкретной входной комбинации, вентиль И-НЕ дает логическую 1. Таким образом, буква «N» в имени логического элемента или полоса над логическим выражением указывает на то, что выходная логика «инвертирована». . В цифровой логике NAND — это NOT AND или противоположность AND. Точно так же NOR — это «NOT» OR, а XNOR — это «NOT» XOR.

Описание действия логических вентилей

В качестве альтернативы действие любого из 7 типов логического элемента может быть описано с использованием письменного описания его логической функции.

• Выход логического элемента И находится на уровне логической 1, когда и только когда все его входы находятся на уровне логической 1, в противном случае выход находится на уровне логического 0.
• Выход логического элемента ИЛИ является логической 1, когда один или несколько его входов находятся на уровне логической 1. Если все его входы имеют логическую 1, выход имеет логический 0.
• Выход логического элемента И-НЕ имеет логический 0, когда и только когда все его входы имеют логическую 1. В противном случае выход находится в логическом 0.
• Выход логического элемента ИЛИ-НЕ имеет логический 0, когда один или несколько его входов имеют логическую 1.Если все его входы имеют логический 0, выход — логический 1.
• Выход логического элемента XOR находится на уровне логической 1, когда и только один из его входов находится на уровне логической 1. В противном случае выход находится на уровне логического 0.
• Выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, когда один и только один из его входов находится в состоянии логической 1. В противном случае выход имеет логическую единицу (поэтому он аналогичен элементу ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, но его выход инвертирован).
• Выход логического элемента НЕ находится на уровне логического 0, когда его единственный вход находится на уровне логической 1, и на уровне логической 1, когда его единственный вход находится на уровне логического 0.По этой причине его часто называют ИНВЕРТОРОМ.

дел>

Рис. 2.1.3 Таблицы истинности

Таблицы истинности

Еще один полезный способ описать действие цифрового шлюза (или всего цифрового cicuit) — использовать таблицу истинности. Каждая таблица состоит из двух или более столбцов, по одному столбцу для каждого ввода или вывода; количества строк в столбце будет достаточно для записи всех возможных логических состояний для этого входа или выхода. На рис. 2.1.3 показаны две типичные таблицы истинности для схем разного уровня сложности.

Верхний стол для простого двух входов и ворот. У него есть два входа, обозначенные A и B, и один столбец (X) для вывода. Сравнивая таблицу истинности с письменным описанием в разделе «Описание действия логических вентилей» (выше), можно увидеть, что таблица истинности следует письменному описанию, показывая, что выход X находится на уровне 1, только когда входы A и B находятся на уровне логики. 1, в противном случае (где три верхние строки — 00, 01 и 10) на выходе будет логический 0.

Вторая таблица на рис.2.1.3 описывает более сложную схему (из пяти вентилей NAND, имитирующих вентиль XOR). Обратите внимание, что теперь таблица истинности расширена, чтобы проиллюстрировать логические уровни на четырех дополнительных входах или выходах в дополнение к входам A и B до того, как окончательный выход X будет проиллюстрирован в правом столбце. Такие сложные таблицы могут иметь большое значение как при проектировании цифровых схем, так и при поиске неисправностей.

И Выход

NAND Gate

OR Выход

NOR Gate

Шлюз XOR

Выход XNOR

НЕ Выходной

Рис.2.1.4 Анимация логических ворот (щелкните любой вентиль)

Анимация логических ворот

На рис. 2.1.4 вы можете проверить работу основных логических вентилей. Анимация ворот позволяет вам выбрать любой из 7 основных ворот и увидеть новую страницу с анимированным изображением действующих ворот. Используйте анимацию, чтобы познакомиться с работой каждого из ворот. Чтобы вернуться на эту страницу, просто закройте страницу с анимацией.

Чтобы легко понять более сложные цифровые схемы, важно создать хорошее мысленное представление об ожидаемом выходе каждого логического элемента для любого возможного входа.

Анимация, представленная на рис. 2.1.4, также показывает, как семь основных логических функций могут быть описаны с помощью «таблицы истинности», чтобы показать взаимосвязь между выходом (X) и всеми возможными комбинациями входов для входов A и B, показанных как четырехзначный двоичный счетчик от 00 до 11. Каждая анимированная диаграмма показывает условия ввода и вывода для одной из семи логических функций в форме двух входов. Однако некоторые типы ворот также доступны с большим количеством входов (например, от 3 до 13). Для этих ворот таблицы истинности должны быть расширены, чтобы включать все возможные входные условия.

Универсальные ворота

Поскольку вентили производятся в форме ИС, обычно содержащей от двух до шести вентилей одного и того же типа, часто неэкономично использовать полную ИС из шести вентилей для выполнения определенной логической функции. Лучшим решением может быть использование только одного типа вентилей для выполнения любых необходимых логических операций. Два типа вентилей, И-НЕ и ИЛИ-ИЛИ, часто используются для выполнения функций любых других стандартных вентилей, путем соединения нескольких из этих «универсальных» вентилей в комбинационную схему.Хотя использование нескольких универсальных вентилей для выполнения функции одного логического элемента может показаться неэффективным, если в одной или нескольких ИС И ИЛИ и ИЛИ-ИЛИ имеется несколько неиспользуемых вентилей, их можно использовать для выполнения других функций, таких как И или ИЛИ. вместо использования дополнительных микросхем для выполнения этой функции. Этот метод особенно полезен при проектировании сложных ИС, где целые схемы внутри ИС могут быть изготовлены с использованием одного типа затвора.

На рис. 2.1.5 от a до g показано, как можно использовать вентили NAND для получения любой из стандартных функций, используя только этот тип единственного логического элемента.

Рис. 2.1.5 Создание любой логической функции с использованием логических элементов NAND

Функция НЕ

а. Соединение входов логического элемента И-НЕ вместе создает функцию НЕ.

г. В качестве альтернативы, функция НЕ может быть реализована путем использования только 1 входа и постоянного подключения другого входа к логической 1.

И функция

г. Добавление функции НЕ (инвертора) к выходу логического элемента И-НЕ создает функцию И.

ИЛИ Функция

г.Инвертирование входов в логический элемент И-НЕ создает функцию ИЛИ.

Функция NOR

e. Использование функции НЕ для инвертирования вывода функции ИЛИ создает функцию ИЛИ.

Функция XOR

ф. Четыре логических элемента NAND (одна микросхема), подключенные, как показано, создают функцию XOR (а микросхема Quad NAND примерно на 15% дешевле, чем микросхема Quad XOR).

Функция XNOR

г. Инвертирование вывода функции XOR создает функцию XNOR.

Подобные преобразования могут быть достигнуты с использованием вентилей ИЛИ-ИЛИ, но поскольку вентили И-НЕ являются, как правило, наименее дорогими ИС, преобразования, показанные на рис.2.1.5 используются чаще. Причиной таких преобразований обычно является стоимость. Это может показаться не очень полезным, поскольку ни одна из основных микросхем серии 74 не является дорогостоящей, но когда должно быть изготовлено несколько тысяч единиц конкретной схемы, небольшая экономия затрат и места на печатных платах за счет максимального использования неиспользуемых иначе затворов в микросхемах с несколькими затворами может стать очень важным.

Рис. 2.1.6 Логические вентили семейства TTL IC серии 74

Логические ИС

Как правило, стандартные логические вентили доступны в 14- или 16-контактных микросхемах DIL (двойная линия).Количество вентилей на одну ИС варьируется в зависимости от количества входов на вентиль. Обычно используются вентили с двумя входами, но если требуется только один вход, например, в вентилях 7404 NOT (или инверторах), 14-контактная ИС может вмещать 6 (или шестнадцатеричных) вентилей. Наибольшее количество входов на один вентиль находится на вентиле И-НЕ 74133 с 13 входами, который размещен в 16-выводном корпусе.

Типовые листы

7400 Четыре входа NAND, 2 входа

7402 Quad 2 входа NOR вентили

7404 Затворы Hex NOT (инверторы)

7408 Quad 2 входа И вентили

7432 Quad 2 входа ИЛИ вентили

7486 Четыре входа XOR, 2 входа

747266 Четыре входа XNOR, 2 входа

74133 Одиночный логический элемент И-НЕ с 13 входами

Разработка модульных и ортогональных генетических логических вентилей для надежной цифровой синтетической биологии

Проектирование схем и характеристика компонентов управления

Логический элемент И (рис.1; Дополнительный рис. S1) содержит два коактивирующих гена hrpR и hrpS и один σ ⁵⁴ -зависимый промотор hrpL и может объединять два взаимозаменяемых входных сигнала окружающей среды для генерации одного взаимозаменяемого выхода. Промотор hrpL активируется только тогда, когда оба созависимых HrpR и HrpS-энхансер-связывающие белки присутствуют в гетеромерном комплексе ³⁰ , с активностью промотора hrpL по умолчанию, близкой к нулю.Из-за требований модульности и входы, и выход логического элемента AND были спроектированы как промоторы, что позволяет подключать входы к любым входным промоторам, а выход — подключать к любым генным модулям ниже по потоку для управления различными клеточными ответами. Однако выбрать правильные компоненты, такие как регулируемые промоторы и RBS (сайты связывания рибосом), чтобы управлять логическим элементом AND и продемонстрировать его функциональность в соответствующем контексте, является нетривиальной задачей. Это связано не только с тем, что многие из компонентов недостаточно хорошо охарактеризованы или охарактеризованы только в их собственных конкретных контекстах, но также из-за множества факторов, которые влияют на экспрессию генов в живых клетках, таких как шасси ³⁶ , среда ³⁷ (включая источник углерода), температуру и компонент внедренной последовательности, контекст ^38,39 , как 5′-нетранслируемая область.Вместо использования стандартного метода проб и ошибок мы решили систематически охарактеризовать каждую часть-кандидат и подмодуль в различных контекстах (как абиотических, так и генетических), чтобы обеспечить надежный выбор компонентов для разработки функционального устройства в соответствующем контексте. .

Логический элемент И разработан на базе модуля гетерорегуляции σ ⁵⁴ hrpR / hrpS .Два реактивных промотора, P ₁ и P ₂ , действуют как входы для управления транскрипцией hrpR и hrpS и отвечают на небольшие молекулы I ₁ и I ₂ , соответственно. . Транскрипция выходного промотора hrpL включается только тогда, когда присутствуют оба белка HrpR и HrpS и связывают вышестоящую последовательность активатора для ремоделирования закрытого транскрипционного комплекса σ ⁵⁴ -RNAP- hrpL в открытый через Гидролиз АТФ.Показанный результат представляет собой репортер gfp . RBS используется для настройки динамического диапазона входов или выходов устройства. Входы регулирующего промотора и выход gfp являются взаимозаменяемыми. Логический элемент AND ортогонален генетическому фону E. coli и не зависит от его обычно используемого σ ⁷⁰ -зависимого пути транскрипции.

Для проверки интеграционного поведения логического элемента И мы выбрали три реактивных промотора в качестве потенциальных входов и систематически охарактеризовали их: индуцируемый изопропилтиогалактозидом (IPTG) P _lac , индуцируемый арабинозой P _BAD и сигнал кворума N — (3-оксогексаноил) -L-гомосеринлактон (AHL) -индуцибельный P _люкс (дополнительные рисунки S2 и S3).В качестве кандидатов-хозяев были выбраны два клеточных штамма, E. coli MC4100 и E. coli MC1061, в хромосомах которых были удалены промоторы P _lac и P _BAD . Использовали химически четко определенную среду M9, в которую в качестве источника углерода добавляли либо глюкозу (M9-глюкоза), либо глицерин (M9-глицерин). Шесть RBS, о которых сообщалось с различной эффективностью трансляции (таблица 1), использовали для характеристики каждого промотора, чтобы найти соответствующие пары промотор / RBS для ввода в логический элемент AND.Кроме того, две температуры, 30 и 37 ° C, использовались для оценки влияния температурных колебаний.

Чтобы оценить поведение промотора в различных шасси и средах, три регулируемых промотора сначала были охарактеризованы в двухклеточном шасси, выращенном в двух средах при 30 ° C. Как показано на рисунке 2a, P _lac почти открыт и не дает желаемых характеристик переключения в E. coli MC4100, выращенном в M9-глицерине, что может быть связано с непреднамеренным взаимодействием P _lac с эндогенным генетический фон этого хозяина.В E. coli MC4100, выращенном в M9-глюкозе (фиг. 2b), P _BAD значительно ингибируется из-за эффекта катаболитной репрессии глюкозы (0,01% мас. / Об.). P _lac не чувствителен к этому эффекту при таком уровне глюкозы и является индуцибельным (фиг. 2a), тогда как P _lux слегка ингибируется (фиг. 2c). В E. coli MC1061, выращенном в М9-глицерине, все три промотора давали желаемые индуцибельные характеристики переключения включения и выключения. Чтобы идентифицировать входы, которые чаще всего подвергаются цифровому индуцированию, для логического элемента И, условия ( E.coli MC1061, M9-глицерин, 30 ° C) были выбраны в качестве стандартного контекста для последующей работы по характеризации.

( a — c ) Дозовые реакции промоторов P _lac ( a ), P _BAD ( b ) и P _люкс ( c ) на восемь увеличивающих индукцию уровни в двухэлементном шасси ( E. coli, MC4100 или E.coli MC1061) в среде M9-глицерина или M9-глюкозы. Тот же самый репортер gfp с сильным RBS (rbs30- gfp ) использовали для измерения выходной флуоресценции ответа промотора. ( d — f ) Дозовые характеристики P _lac ( d ), P _BAD , ( e ) и P _люкс ( f ) с использованием 6 версий RBS под различными уровни индукции (0, 3,9 × 10 ⁻⁴ , 1,6 × 10 ⁻³ , 6,3 × 10 ⁻³ , 2.5 × 10 ⁻² , 0,1, 0,4, 1,6, 6,4 и 12,8 мМ IPTG для P _lac ; 0, 3,3 · 10 ⁻⁴ , 1,3 · 10 ⁻³ , 5,2 · 10 ⁻³ , 2,1 · 10 ⁻² , 8,3 · 10 ⁻² , 0,33, 1,3, 5,3 и 10,7 мМ арабиноза для P _BAD ; и 0, 1,5 · 10 ⁻³ , 6,1 · 10 ⁻³ , 2,4 · 10 ⁻² , 9,8 · 10 ⁻² , 3,9 · 10 ⁻¹ , 1,6, 6.3, 25 и 100 нМ AHL для P _люкс ) и соответствия (сплошные линии) функции передачи промотора.( г — i ) Охарактеризованные дозовые характеристики P _lac ( g ), P _BAD , ( h ) и P _люкс ( i ) при 30 ° C и 37 ° C соответственно, и данные совпадают (сплошные линии). Здесь rbsH был выбран для P _lac и rbs33 для P _BAD и P _lux . Используемые концентрации индуктора такие же, как в d — f . В a — i все данные (флуоресценция / OD ₆₀₀ ) представляли собой среднее значение трех независимых повторов в E.coli MC1061 в M9-глицерине при 30 ° C, если не указано иное. Планки погрешностей, s.d. ( n = 3). а.е., условные единицы.

Шесть RBS, rbs30-34 плюс rbsH, затем использовали для характеристики трех промоторов в выбранном стандартном контексте для поиска сбалансированных пар промотор / RBS. На рис. 2d – f показано, что максимальный ответ каждого промотора значительно различается при использовании разных RBS. Поразительно, но мы обнаружили, что порядок силы шести RBS у этих трех промоторов различается.Это в значительной степени связано с различными 5′-нетранслируемыми областями, следующими за каждым промотором (дополнительный рис. S4), которые могут изменять вторичную структуру и стабильность транскриптов. Очевидно, что одна и та же часть, например RBS, используемая в разных контекстах последовательности, может приводить к разному количественному поведению, как показано в другом исследовании ³⁸ . Ответы каждого промотора при использовании шести RBS становятся подобными после нормализации (дополнительный рис. S5), предполагая, что RBS можно использовать в качестве линейного усилителя для регулирования уровня экспрессии белка в устойчивом состоянии.

Эффект изменения температуры был исследован путем определения характеристик промоторов при двух температурах 30 и 37 ° C, в других стандартных условиях культивирования. На рис. 2g – i показано, что влияние сдвига температуры на три промотора различно. Для P _BAD изменение температуры от 30 до 37 ° C имеет лишь небольшой эффект. Но P _lux становится более негерметичным при 30 ° C, чем при 37 ° C, а P _lac имеет более высокую чувствительность при 37 ° C, чем при 30 ° C.Различия могут быть связаны с различным влиянием температурного сдвига на аффинность связывания между факторами транскрипции и родственными им сайтами связывания ДНК этих промоторов, что позволяет предположить, что изменение абиотического контекста может иметь различное влияние на производительность различных частей организма. интегрированная система.

Таким образом, результаты характеризации (рис. 2) показывают, что три регулируемых промотора и шесть RBS ведут себя по-разному в различных абиотических (например, среда и температура) и генетических (например, контекст шасси и встроенной последовательности) контекстах.Полученные данные (рис. 2d – i) были подогнаны под модель функции Хилла для установившейся реакции ввода-вывода промотора (передаточная функция) в форме (Дополнительные методы):

, где [ I ] — концентрация индуктора; K ₁ и n ₁ — константа и коэффициент Хилла, соответственно, относящиеся к взаимодействию промотор-регулятор / индуктор; k — максимальный уровень экспрессии за счет индукции; и α является константой, относящейся к базальному уровню промотора из-за утечки (таблица 2).

Прямое проектирование модульного логического элемента И

На основе результатов характеристики компонентов в различных контекстах, логический элемент И теперь систематически проектировался и конструировался путем выбора соответствующих частей (входных промоутеров и RBS) и их соответствующего контекста (шасси, медиа и контекст встроенной последовательности). На рис. 2d – f показано, что P _lac намного слабее по сравнению с промоторами P _BAD и P _lux .Чтобы сбалансировать два управляющих входа и избежать потенциальной избыточной экспрессии, пара входных сигналов P _lac / rbsH с максимальным уровнем около 2000 а.е. (Рис. 2d), использовался для привода hrpR и пары P _BAD / rbs33 с максимальным уровнем около 12000 у.е. (Рис. 2e), сначала использовали для управления hrpS в выбранном стандартном контексте ( E. coli, MC1061, M9-глицерин, 30 ° C). Эта спроектированная версия логического элемента И показала отклики, которые соответствуют функции логического логического элемента И после измерения с помощью флуорометрии (рис.3а). Выход включается только тогда, когда оба входа сильно индуцированы, и реакция очень резкая при переходе из выключенного состояния во включенное состояние и близка к желаемой реакции логического логического элемента AND. Затем двумерные данные были использованы для параметризации модели нормализованной передаточной функции логического элемента И в форме:

Эта передаточная функция была получена на основе биохимического взаимодействия, лежащего в основе архитектуры схемы (дополнительные методы). Он описывает нормализованный выход логического элемента И как функцию уровней двух белков-активаторов ([ R ] для HrpR, [ S ] для HrpS) в устойчивом состоянии.[ G ] _макс. — максимальная активность, наблюдаемая для выхода. K _R , K _S и n _R , n _S — константы и коэффициенты Хилла для HrpR и HrpS, соответственно. Уровни двух активаторов были получены из параметризованных передаточных функций двух входных промоторов (таблица 2) с теми же RBS, которые использовались в логическом элементе AND. Подгонка данных с доверительной вероятностью 95% к уравнению (2) дает: K _R = 206.1 ± 32,5, K _S = 3135 ± 374, n _R = 2,381 ± 0,475 и n _S = 1,835 ± 0,286 с [ G ] _max = 7858 а.е. для этого анализа (рис. 3b; дополнительный рис. S6).

( a ) Логический элемент AND был сконструирован с промоторами P _lac и P _BAD в качестве двух входов для управления транскрипцией hrpR и hrpS .rbsH и rbs33 используются после P _lac и P _BAD соответственно. Флуоресцентный отклик этого устройства был измерен для 72 комбинаций входных индукций в стандартном контексте, как показано внизу. Используемые концентрации индукторов: 0, 3,9 × 10 ⁻⁴ , 1,6 × 10 ⁻³ , 6,3 × 10 ⁻³ , 2,5 × 10 ⁻² , 0,1, 0,4, 1,6 мМ IPTG (слева направо ) на 0, 3,3 × 10 ⁻⁴ , 1,3 × 10 ⁻³ , 5,2 × 10 ⁻³ , 2,1 × 10 ⁻² , 8.3 × 10 ^-2 , 0,33, 1,3, 5,3 мМ арабинозы (снизу вверх). ( b ) Корреляция между откликом, характеризуемым логическим элементом И, и прогнозируемым откликом от его подобранной передаточной функции сильная, с коэффициентом корреляции Пирсона 0,9911. Каждая точка представляет одну экспериментальную точку данных из двумерного массива в a , по сравнению с моделью, предсказанной G / G _max с использованием уравнения (2) и подобранной [ R ] и [ S ] ] значения из уравнения (1) для двух охарактеризованных входов промотора.( c ) Вверху находится вентиль И с новой конфигурацией, построенный с использованием P _люкс и P _BAD в качестве двух входов. In silico моделирование предсказывает поведение устройства в двух разных контекстах (внизу слева), то есть в контексте 1 ( E. coli, MC1061, M9-глицерин, 30 ° C) и контексте 2 ( E. coli MC1061, M9 -глицерин, 37 ° C). Экспериментально охарактеризованные отклики устройства в этих двух контекстах представлены в правом нижнем углу. Используемые концентрации индуктора равны 0, 2.4 × 10 ⁻² , 9,8 × 10 ⁻² , 3.9 × 10 ⁻¹ , 1,6, 6.3, 25, 100 нМ AHL на 0, 3,3 × 10 ⁻⁴ , 1,3 × 10 ⁻³ , 5,2 · 10 ⁻³ , 2,1 · 10 ⁻² , 8,3 · 10 ⁻² , 0,33, 1,3 мМ арабиноза. Для упрощения сравнения с экспериментальными данными модели построены с теми же концентрациями индуктора, которые использовались для характеристики. В a и c все характеристические данные представляют собой нормализованное среднее трех повторов в E.coli MC1061 в M9-глицерине с вариациями менее 10% между биологическими повторами.

Чтобы проверить модульность входа логического элемента И, а также правильность его передаточной функции, мы затем заменили вход P _lac на вход P _lux , реагирующий на AHL (рис. 3c). Поскольку P _lux был охарактеризован как сильный промотор (рис. 2f), вход пары P _lux / rbs33 (максимальный уровень около 2000 а.е.) использовался для управления логическим элементом AND, близко к входу P _лак / rbsH пара.Однако рисунок 2i показывает, что утечка для P _lux при 30 ° C больше, чем при 37 ° C. Такое изменение поведения входного сигнала P _люкс при этих двух температурах может привести к различным ответам собранного логического элемента И в этих двух условиях. Чтобы оценить это, мы смоделировали поведение устройства в двух контекстах, используя функции передачи компонентов, которые были параметризованы в соответствующем контексте. Прогнозы (рис. 3c) показывают, что этот вентиль И будет вести себя по-разному в двух контекстах, и, в частности, утечка отклика появится на стороне P _люкс в контексте более низкой температуры.Чтобы подтвердить предсказания модели, собранный логический элемент И был экспериментально охарактеризован в двух контекстах, соответственно. На рисунке 3c показано, что результаты согласуются с прогнозами модели (дополнительный рисунок S6 показывает высокий коэффициент корреляции между ними) в том, что утечка на стороне P _люкс действительно наблюдалась для логического элемента AND при 30 ° C. Затем были получены улучшенные характеристики логического элемента И того же устройства в контексте более высокой температуры 37 ° C. Эти данные показывают, что контекст, в котором работает схема, оказывает значительное влияние на ее поведение, и поведение схемы может быть эффективно смоделировано на основе компонентов, которые были охарактеризованы в том же абиотическом и генетическом контексте, что и требовалось для их окончательной работы.Результат также показывает, что входы логического элемента И являются взаимозаменяемыми и модульными.

Комбинаторный вентиль И-НЕ

Для проверки модульности выхода логического элемента И, а также применяемого прямого инженерного подхода, мы затем соединили выход логического элемента И с модулем логического элемента НЕ, чтобы создать комбинаторный вентиль И-НЕ. Модульный гейт NOT был разработан на основе репрессорного модуля cI / P _lam , состоящего из лямбда-гена cI и его регуляторного промотора P _R (рис.4). Пять версий ворот НЕ с использованием различных RBS были сконструированы и охарактеризованы в выбранном стандартном контексте. На рисунке 4 показано, что четыре из пяти версий давали очень похожие отклики и демонстрировали требуемые характеристики логического логического элемента НЕ — с быстрым переходом между состояниями в узком диапазоне концентрации индуктора, большим динамическим диапазоном и низким уровнем выходного сигнала в выключенном состоянии. . Данные были подогнаны к передаточной функции ворот НЕ в виде:

, где [ R ₃ ] — концентрация репрессора, K ₃ и n ₃ — это Константа и коэффициент Хилла, k ₃ — это максимальный уровень экспрессии без репрессии, а α ₃ — константа, относящаяся к базальному уровню регулируемого промотора (дополнительная таблица S1).Уровни репрессора были получены из параметризованной передаточной функции (таблица 2) вводимого промотора с тем же RBS, что и в вороте NOT.

( a ) Конструкция модульного гейта НЕ ( b ) Дозовые отклики сконструированного гейта НЕ cI / P _lam измеряли с использованием пяти версий RBS под индуцируемым IPTG промотором P _lac . Используемые концентрации индуктора — 0, 3.9 · 10 ⁻⁴ , 1,6 · 10 ⁻³ , 6,3 · 10 ⁻³ , 2,5 · 10 ⁻² , 0,1, 0,4, 1,6, 6,4 и 12,8 мМ IPTG. Данные представляют собой среднее значение трех повторов в E. coli MC1061 в M9-глицерине при 30 ° C. Сплошные кривые — данные, соответствующие передаточной функции ворот НЕ. Планки погрешностей, s.d. ( n = 3).

Составной логический элемент И-НЕ (рис. 5a, b) систематически разрабатывался на основе охарактеризованных деталей и модулей затвора. Передаточная функция логического элемента И-НЕ была получена путем интеграции отдельных передаточных функций составляющих частей (индуцибельные промоторы) и модулей (логические элементы И и НЕ) в системе (дополнительные методы).Затем мы смоделировали функцию устройства, используя параметризованные передаточные функции компонентов, которые были охарактеризованы в соответствующем контексте. На рис. 5a, b показаны прогнозируемые характеристики двух версий логического элемента И-НЕ с различными входами и конфигурациями промоторов. В обоих случаях появляется желаемая логическая функция И-НЕ. На основе прогнозов модели два логических элемента NAND были сконструированы путем непосредственной сборки соответствующих частей и модулей и систематически тестировались в соответствующем контексте (рис.5в, г). Двумерные отклики ввода-вывода устройств соответствуют функции логического логического элемента И-НЕ. Выходы находятся в выключенном состоянии (точка I) только тогда, когда на обоих входах высокий уровень. Экспериментальные результаты близки к предсказаниям модели (дополнительный рис. S7), за исключением небольшой разницы в углу с низким IPTG и высокой индукцией арабинозы на двумерной карте (точка II, рис. 5c) и, аналогично , на рис. 5d, угол с индукцией низкой AHL и высокой арабинозы.Незначительное ингибирование в точке II может быть связано с небольшой утечкой экспрессии HrpR из его контрольных входных промоторов.

( a ) Первый логический элемент И-НЕ содержит охарактеризованный модуль логического элемента И, использующий в качестве входов P _lac и P _BAD , а также модуль НЕ-затвора rbs34-cI / P _lam NOT. In silico моделирование предсказывает поведение устройства на основе параметризованных передаточных функций компонентных модулей в стандартном контексте.( b ) Второй логический элемент И-НЕ включает модуль логического элемента И, использующий в качестве входов P _lux и P _BAD , а также модуль логического элемента НЕ rbs32-cI / P _lam . In silico Моделирование предсказывает поведение устройства на основе параметризованных передаточных функций компонентов при 37 ° C в стандартном контексте. Для этого моделирования использовались подогнанные передаточные функции логического элемента И и НЕ в стандартном контексте, и предполагалось, что они незначительно изменяются при 37 ° C. ( c ) Ответ логического элемента И-НЕ как в и при 64 комбинациях входных индукций (0, 3.9 × 10 ⁻⁴ , 1,6 × 10 ⁻³ , 6.3 × 10 ⁻³ , 2,5 × 10 ⁻² , 0,1, 0,4, 1,6 мМ IPTG на 0, 3,3 × 10 ⁻⁴ , 1,3 · 10 ⁻³ , 5,2 · 10 ⁻³ , 2,1 · 10 ⁻² , 8,3 · 10 ⁻² , 0,33, 1,3 мМ арабиноза), измеренные флуорометрическим методом в стандартном контексте. ( d ) Отклик логического элемента И-НЕ, как в b для 64 комбинаций входных индукций (0, 2,4 × 10 ⁻² , 9,8 × 10 ⁻² , 3,9 × 10 ⁻¹ , 1,6, 6.3, 25, 100 нМ AHL на 0, 3,3 × 10 ⁻⁴ , 1,3 × 10 ⁻³ , 5,2 × 10 ⁻³ , 2,1 × 10 ⁻² , 8,3 × 10 ⁻² , 0,33, 1,3 мМ арабинозы) при 37 ° C с помощью флуорометрического анализа. ( e ) FACS-анализ логического элемента NAND, как в и , при четырех логических комбинациях входных индукций: (I) 1,3 мМ арабинозы плюс 1,6 мМ IPTG, (II) 1,3 мМ арабинозы, (III) 1,6 мМ IPTG, ( IV) нет. ( f ) FACS-анализ логического элемента И-НЕ, как в b , при четырех входных индукциях: (I) 1.3 мМ арабинозы плюс 100 нМ AHL, (II) 1,3 мМ арабинозы, (III) 100 нМ AHL, (IV) нет. Данные в c и d представляют собой нормализованное среднее значение трех повторов в E. coli MC1061 в M9-глицерине с вариациями менее 10% между биологическими повторами.

Проточная цитометрия использовалась для подтверждения того, что вентиль NAND функционирует на индивидуальном клеточном уровне. На рис. 5e, f показано, что вся популяция выключается только тогда, когда оба входа сильно индуцированы (полоса I с низкой флуоресценцией, соответствующая точке I в анализе с помощью флуорометрии).Если какой-либо входной индуктор не добавлен, вся популяция включается (дорожки с высокой флуоресценцией II, III и IV). Высокая флуоресценция небольшой части клеток на дорожке I второго логического элемента И-НЕ (фиг. 5f) может быть связана с не полностью индуцированной популяцией клеток в используемых условиях индукции (1,3 мМ арабиноза плюс 100 нМ AHL). В частности, это может быть связано с неоднородным входным промотором P _BAD , который проявляет бимодальную активность в условиях субнасыщения арабинозы в E.coli MC1061 (ссылка 40) (дополнительный рисунок S8).

Совместимость и однородность шасси схемы

Чтобы изучить поведение логического элемента AND в шасси различных ячеек, то есть совместимость шасси схемы, мы проверили качественные характеристики логического элемента AND в семи часто используемых клеточных штаммах E. coli ( Рис.6). Во-первых, логический элемент И с P _lac и P _BAD в качестве управляющих входов был оценен при четырех условиях логического входа (рис. 6a).Устройство не работало должным образом в пяти из семи протестированных ячеек — E. coli, MC4100, MG1655, DH5α, BW25113 и BL21 (DE3). Устройство хорошо себя показало на штаммах E. coli, MC1061 и TOP10. Для большинства нерабочих шасси элементы имеют высокий выход не только с обоими входными индукциями, но и только с индукцией входа P _BAD . Эти аномальные ответы могут быть следствием интерференции между генетическим фоном хозяина и вводом промотора P _lac устройства.Чтобы подтвердить это, мы затем проверили отклики логического элемента И, используя P _люкс и P _BAD в качестве двух входов при четырех условиях логического входа (рис. 6b). Теперь устройство хорошо себя ведет во всех шасси, за исключением штамма E. coli BL21 (DE3) с удаленным геном протеазы Lon. Функциональное улучшение логического элемента И среди этих шасси, таким образом, связано с устранением потенциальной интерференции входного промотора с генетическим фоном хозяина за счет использования P _lux вместо P _lac в качестве первого управляющего входа.Это ожидается, потому что P _lux не является эндогенным в E. coli и, вероятно, ортогонален генетическому фону этой бактерии, в то время как P _lac является эндогенным промотором E. coli и может взаимодействовать с фоном хозяина. Уровни отклика устройства на обе входные индукции различаются в семи протестированных шасси. Такое изменение, вероятно, связано с комбинированным эффектом потенциальной интерференции между промоторами входных цепей (P _lac и P _BAD ) и фоном хозяина, а также различным снижением роста, наблюдаемым в эксперименте для семи хозяев (дополнительные таблицы S2 и S3).Комбинируя два анализа, можно сделать вывод, что сама схема логического элемента И в целом совместима и надежно ведет себя на большинстве тестируемых шасси, но входы промоторов необходимо тщательно выбирать, чтобы избежать потенциального вмешательства в генетический фон хозяина.

( a ) Качественный анализ функциональности логического элемента AND с использованием P _lac и P _BAD в качестве двух входов в семи E.coli . Были исследованы четыре входных индукции: 1,3 мМ арабинозы плюс 1,6 мМ IPTG, 1,3 мМ только арабинозы, только 1,6 мМ IPTG и без индукторов. Клетки выращивали в М9-глицерине при 30 ° C и анализировали через 5 ч после индукции. (b ) Качественные анализы функциональности логического элемента И с использованием P _lux и P _BAD в качестве двух входов в семи штаммах E. coli . Были изучены четыре входных индукции: 1,3 мМ арабинозы плюс 100 нМ AHL, 1,3 мМ только арабиноза, только 100 нМ AHL и без индукторов.Клетки выращивали в М9-глицерине при 37 ° C и анализировали через 5 часов после индукции. Планки погрешностей, s.d. ( n = 3).

Затем мы использовали проточную цитометрию для оценки гомогенности популяции схемы логического элемента AND, а также трех индуцируемых входных промоторов (дополнительные рисунки S8 и S9).