DE1290585B - Fehlergeschuetzte Gatterschaltung aus einer Mehrzahl von kettenfoermig hintereinandergeschalteten Transistorverstaerkerstufen - Google Patents

Description

• Zur Steuerung von technischen Prozessen, speziell von Werkzeugmaschinen und Pressen werden fehlergeschützte Halbleitexsteuerungen benötigt. Diese Steuerungen müssen so aufgebaut sein, daß sie bei Ausfall eines Bauelementes, bei Drahtbruch oder Erdschluß am Eingang kein aktives Ausgangssignal abgeben können.
• Aus der Patentliteratur (französische Patentschrift 1391823) ist eine Steuerschaltung für fehlergeschützte UND-Gatter aus mindestens zwei hintereinandergeschalteten Transistoren bekanntgeworden, bei denen der Kollektor des einen mit der Basis des nachfolgenden. Transistors kapazitiv gekoppelt ist. Sämtliche Eingangssignalspannungen werden den Basen der Eingangstransistoren zugeleitet. Bei fehlergeschützten UND- und Sperrgattern ist es weiterhin bekannt, die eine Signalspannung dem Kollektor des Transistors, die andere seiner Basis zuzuführen.
• Auch die vorliegende Erfindung betrifft ein fehlergeschütztes, mehrere Eingänge und einen Ausgang aufweisendes Gatter zur Darstellung logischer Funktionen, insbesondere UND-, ODER- bzw. NOR-Gatter aus einer Mehrzahl von kettenförmig hintereinandergeschalteten Transistorschaltverstärkerstufen, bei denen jeweils der Kollektor des einen mit der Basis des folgenden Transistors kapazitiv gekoppelt ist. Die Erfindung besteht hierbei darin, daß die Basis des in der Kette ersten Transistors (T1) mit dem Ausgang eines ständig Taktimpulse abgebenden Impulsgenerators verbunden ist, daß an die Basen der in der Kette folgenden Transistoren (T2, T3) eine diese Transistoren im Durchlaßzustand haltende Spannung angelegt ist und daß an den Kollektor des in der Kette letzten Transistors (T3) ein die Taktimpulssignale des Impulsgenerators in Dauersignale umwandelnder Ausgangsverstärker (A V) angeschlossen ist, der dann, und nur dann, ein statisches Ausgangssignal abgibt, wenn sämtliche Bauelemente der einzelnen Kettenglieder (T1 bis T3) und des Ausgangsverstärkers (A V) funktionstüchtig sind und außerdem an den jeweils mit den zugehörigen Gattereingängen (1, 2, 3) verbundenen Kollektoren der Transistoren (T1 bis T3) die aus den anstehenden Eingangssignalspannungen abgeleiteten Kollektorspeisespannungspotentiale anliegen.
• Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von vier Figuren erläutert, von denen F i g. 1 ein UND-Gatter, F i g. 2 ebenfalls ein UND-Gatter, jedoch mit der Funktion ODER vor UND veranschaulicht; F i g. 3 zeigt ein ODER-Gatter und schließlich F i g. 4 ein NOR-Gatter.
• Sämtliche veranschaulichten Gatter sind im Sinne der Erfindung fehlergeschützt.
• Die in den Figuren veranschaulichten Schaltungen arbeiten an ihren Ein- und Ausgängen mit statischen Signalen, wobei als »1«-Signal eine positive Spannung von etwa 16 bis 30 V dient. Die interne Signalverarbeitung erfolgt dynamisch mit einer Taktfrequenz (Rechteckspannung) von etwa 20 kHz, welche jeweils an den Eingang F angelegt wird. Vermittels dieser Taktfrequenz ist es möglich, den Ausfall irgendeines Bauelementes zu erfassen.
• Das in der F i g.1 gezeigte UND-Gatter besitzt drei Eingänge, die mit 1, 2, 3 bezeichnet sind. Das jeweilige Eingangssignal wird somit den Kollektoren der Transistoren T1, T2 und T3 zugeführt. Die drei kettenförmig hintereinandergeschalteten Schaltverstärker mit den Transistoren T1 bis T3 sind kapazitiv über Kondensatoren C1 bzw. C2 miteinander gekoppelt. Der Transistor T1 wird an seiner Basis mit der Frequenz eines nicht näher veranschaulichten Taktgenerators über die Klemme F beaufschlagt. Der Taktgenerator kann ein astabiler Generator sein, der also ständig seine Ausgangsspannung der Klemme F des Gatters zuführt. Beim Sperren des Transistors T1 kann sich der Kondensator C1 aufladen, wenn am Eingang 1 »1«-Signal, also eine positive Spannung zwischen 16 und 30 V, entsteht. Die Aufladung erfolgt über die Eingangsspannung, den Widerstand R4, den Kondensator C1 und die Diode D1. Beim Durchsteuern des Transistors T1 hat sich der Kondensator C1 so weit aufgeladen, daß über den Spannungsteiler mit den Widerständen R, und R7 der vorher über den Widerstand R7 angesteuerte Transistor T2 gesperrt werden kann. Dieser bleibt so lange gesperrt, bis der Transistor T1 wieder sperrt.
• Durch Integration des Eingangssignals über die Zeitkonstantenglieder C1 und R4 werden Störimpulse am Eingang weitgehend unterdrückt. Der Widerstand R5 stellt eine niederohmige Vorbelastung des Signalgebers dar. Dieser Widerstand liegt einseitig am Eingang 1 und mit seinem zweiten Ende an M, d. h. dem Mittelpunkt einer Batterie, deren positiver Pol mit P und deren negativer Pol mit N bezeichnet ist. Der Spannungsteiler R., R7 und der Aufladekreis R4, C1 sind so bemessen, daß das Eingangssignal mindestens einige Volt, z. B. -I-5 Volt, betragen muß, damit eine Sperrung des Transistors T2 erfolgen kann.
• Erst wenn an alle drei Eingänge 1 bis 3 »1«-Signal angelegt ist, wird die Taktfrequenz vom Ausgang des Transistors T1, über die Koppelkapazität Cl, den Transistor T., die Koppelkapazität C2 und den Transistor T übertragen und damit der Ausgangsverstärker AV angesteuert. Dieser besteht aus dem Ausgangstransformator AT und den Ansteuerverstärkern, welche die Transistoren T4 bis T, enthalten. Im Ruhezustand, d. h. wenn die UND-Bedingung nicht erfüllt ist, bleibt der Transistor T4 durchgesteuert. Dadurch sind die Transistoren T5, T, sowie T7 und T8 gesperrt. Durch die beiden Primärwicklungen I, II des Ausgangstransformators AT fließt somit kein Strom. Bei erfüllten UND-Bedingungen wird der Transistor T¢ im Rhythmus der auf den Eingang F gegebenen Taktfrequenz geöffnet und geschlossen. Beim Sperren des Transistors T4 können die Transistoren T, und T" durchsteuern, wobei sich auch eine Entladung des Kondensators C4 ergibt. Beim Durchsteuern des Transistors T4 sperrt der Transistor T5, und es werden die Transistoren T7 und T8 über die Kondensatorwiderstandskombination R13, C4 angesteuert.
• Der veranschaulichte Ausgangsverstärker AV läßt einen Ausgangsstrom von 300 mA zu; durch Weglassen der Transistoren T, und T8 läßt sich etwa ein Ausgangsstrom von 15 mA erreichen. Fügt man dagegen den Transistoren T, und T$ jeweils noch einen weiteren - nicht weiter veranschaulichten - Transistor bei, so läßt sich im Bedarfsfalle auch ein Ausgangsstrom von etwa 2 A erreichen.
• Zur Bildung der Funktion ODER vor UND kann man jedem der Transistoren T1 bis T3 einen zweiten Kollektorwiderstand hinzufügen. Eine entsprechend modifizierte Schaltung zeigt die F i g. 2 an Hand des in F i g. 1 veranschaulichten Schaltverstärkers mit dem Transistor T1; die dort verwendeten Bezugszeichen sind entsprechend denen der F i g. 1 gewählt. In der F i g. 2 wird der Kondensator Cl dann aufgeladen, wenn am Eingang 1 oder 1' Signal angelegt wird. Die niederohmigen Widerstände R5 bzw RS bewirken eine gegenseitige Entkopplung der Eingänge 1 und 1', wenn nur ein Eingang angesteuert ist und der nicht angesteuerte mit dem Eingang einer zweiten Stufe verbunden ist. Diese Entkopplung ist auch dann gewährleistet, wenn einer der Widerstände R, unterbrochen ist.
• Die ODER-Verknüpfung von z. B. vier Eingangsvariablen wird durch die in F i g. 3 veranschaulichte Schaltung verwirklicht. Die Eingänge des ODER-Gatters sind mit 1 bis 4 bezeichnet, der Eingang für das Taktsignal mit F. Wie aus der Darstellung ersichtlich, wird die ODER-Verknüpfung durch parallele Ansteuerung des den Transistor T4 enthaltenden Ausgangsverstärkers mit den Transistoren T1 oder 4 erhalten.
• Ein NOR-Gatter kann mit der in F i g. 4 gezeigten Schaltung realisiert werden. Der Spannungsteiler R7, R8, R, des Transistors T, ist so bemessen, daß die Frequenz des Taktgenerators nur dann übertragen werden kann, wenn der Eingang 2 auf 0 Volt liegt, das ist das Potential M. Bei Drahtbruch auf der Eingangsleitung sperrt der Transistor T.. Wird »1«-Signal an den Eingang 2 angeschlossen, dann wird der Transistor T, ständig durchgesteuert. Tritt auf der Eingangsleitung ein Erdschluß auf, dann spricht bei der Schalterstellung 2-P1 des Befehlgeberschalters S die Sicherung der Stromversorgung an, die positive Spannung P1 wird abgeschaltet und damit die gesamte Steuerung stillgesetzt. Es ist also bei der NOR-Stufe das Ausgangssignal »1« fehlergeschützt. Das Ausgangssignal »0« kann sowohl von einem Eingangssignal, von einem Drahtbruch auf der Eingangsleitung oder einem Bauelementefehler verursacht worden sein.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Fehlergeschützte, mehrere Eingänge und einen Ausgang aufweisende Schaltungsanordnung zur Darstellung logischer Funktionen, insbesondere UND-, ODER- bzw. NOR-Gatter, aus einer Mehrzahl von kettenförmig hintereinandergeschalteten Transistorschaltverstärkerstufen, bei denen jeweils der Kollektor des einen mit der Basis des folgenden Transistors kapazitiv gekoppelt ist, da -durch gekennzeichnet, daß die Basis des in der Kette ersten Transistors (T1) mit dem Ausgang eines ständig Taktimpulse abgebenden Impulsgenerators verbunden ist, daß an die Basen der in der Kette folgenden Transistoren (T" T3) eine diese Transistoren im Durchlaßzustand haltende Spannung angelegt ist und daß an den Kollektor des in der Kette letzten Transistors (T3) ein die Taktimpulssignale des Impulsgenerators in Dauersignale umwandelnder Ausgangsverstärker (AV) angeschlossen ist, der dann, und nur dann, ein statisches Ausgangssignal abgibt, wenn sämtliche Bauelemente der einzelnen Kettenglieder (T1 bis T3) und des Ausgangsverstärkers (A F) funktionstüchtig sind und außerdem an den jeweils mit den zugehörigen Gattereingängen (1, 2, 3) verbundenen Kollektoren der Transistoren (TI bis T3) die aus den anstehenden Eingangssignalspannungen abgeleiteten Kollektorspeisespannungspotentiale anliegen.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand und die Koppelkapazität ein Integrationsglied für das Eingangssignal und der Basisvorwiderstand mit dem den Durchlaßzustand erzwingenden Widerstand einen Spannungsteiler bilden, wobei diese Glieder so ausgebildet und bemessen sind, daß kurze Störimpulse am Eingang (Kollektor) unterdrückt werden und damit ein Sperren des nachfolgenden Transistors unterbunden wird.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den kollektorabseitigen Belag des Koppelkondensators eine Diode angeschlossen ist, welche bei Aufladung des Kondensators den kollektorabseitigen Belag gegen. das Bezugspotential (M) schaltet.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau eines ODER-Gatters dem Kollektorwiderstand jedes Transistors ein weiterer Kollektorwiderstand in Parallelschaltung als zweiter Eingangswiderstand zugeordnet ist, der mit dem ersten Kollektorwiderstand die ODER-Funktion bildet.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig jedem der die ODER-Funktion bildenden Widerstände ein vorzugsweise niederohmiger Ableitwiderstand zugeordnet ist, dessen freies Ende auf Bezugspotential (M) liegt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des ODER-Gatters der Kollektor des Transistors über das kapazitive Koppelglied mit dem Eingang des folgenden Transistors oder des Endtransistors verbunden ist, während ein weiterer Transistor ebenfalls kollektorseitig über ein weiteres Koppelglied mit der Basis des folgenden Transistors oder des Endtransistors verbunden ist, dessen Basis an den Taktgenerator angeschlossen ist.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Gatters auf den Eingang eines Verstärkers gegeben ist, der bei vorhandenem Eingangssignal die Taktsignalfolge verstärkt und über einen Gegentakttransformator einer Gleichrichterschaltung zuführt, deren gleichgerichtetes Signal das Ausgangssignal des Gatters ist. B. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau eines NOR-Gatters die Signalspannungen über einen Spannungsteiler zugeführt werden, der so bemessen und geschaltet ist, daß bei fehlendem oder vorhandenem Eingangssignal der Transistor gesperrt ist und bei 0-Signalzustand (Potential M) am Eingang der Transistor von der Taktfrequenz steuerbar ist.