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Elektronische Steuerschaltung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Steuerschaltung,
bei der ein Kondensator durch Digitalimpulse aufgeladen und außerdem über einen
von einer analogen physikalischen Größe abhängigen Widerstand entladen wird, bei
der ferner der sich im Gleichgewicht zwischen dem Aufladevorgang und dem Entladevorgang
ergebende Ladezustand des Kondensators zur Beaufschlagung eines Schwellwertschalters
vorgesehen ist, der seinerseits zur Auslösung des eigentlichen Steuervorgangs, z.B.
unter Verwendung eines Mikrocomputers, dient.
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Eine bekannte Steuerschaltung der soeben definierten Art ist in Fig.
1 dargestellt. Der den Schwellwertschalter SW steuernde Kondensator C1 ist einerseits
über den. einstellbaren Widerstand Ro und außerdem über eine die Ladeimpulse liefernde
Quelle "kurzgeschlossen". Hierzu liegt im Beispielsfall der eine Pol des Kondensators
C1 am Bezugspotential, also Masse, an dem auch der eine Anschluß des von der analogen
physikalischen Größe abhängigen Widerstandes Ro liegt, während der andere Pol des
Kondensators C1 über den Festwiderstand R1 und die stromführende Strecke eines digital
gesteuerten Transistors T am ersten Versorgungspotential der Schaltung angeschaltet
ist. Außerdem liegt der andere Pol des Kondensators C1.über einen weiteren Widerstand
R2 am Eingang des Schwellwertschalters SW, der zugleich über einen weiteren Kondensator
C2 auf das Bezugspotential geschaltet ist.
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Die Freauenzder den Ladetransistor T , z.B. einen MOS-Feldeffekttransistor,
steuernden Impulse wird so hoch gewählt, daß der Ladezustand des Kondensators C1
im allgemeinen einen von 0 Volt verschiedenen Wert erhält. Dieser Wert läßt sich
einerseits durch das Tastverhltnis der dem Ladekondensator
C1 über
den Transistor T zugeführten Ladeimpulse und andererseits über den jeweils vorllegenden
Wert des Wi-
derstandes Ro einstellen. Die Kombination des Widerstands R2 und des
zweiten Kondensators C2 wirkt als Tiefpaß. Der Schwellwertschalter SW spricht bei
einem vorgegebenen Grenzwert des Ladungszustandes des Kondensators C1 an.
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Bei der Steuerung von Haushaltmaschinen, z.B. eines Wäschetrockners,
wird häufig das Erreichen eines analogen Grenzwertes, z.B. des Restfeuchtigkeitsgehaltes
der behandelten Nräsche, zum Auslösen von Steuerbefehlen für einen Mikrocomputer
verwendet. Hierbei ist es nun erwünscht, daß die analogen Grenzwerte leicht einstellbar
sind, was vor allem bedeutet, daß sie von außen her der Steuerschaltung zugeführt
werden können und nicht etwa durch Eingriff in den integrierten Teil der Steuerschaltung
erzeugt werden müssen.
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Unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung kann
man nun den jeweils gewünschten analogen Grenzwert, der zum Ansprechen des Schwellwertschalters
SW und damit zur Auslösung des Steuervorganges notwendig ist, in einfacher Weise
erzeugen. Die Kapazität C1 wird, wenn das an der Steuerelektrode, also dem Gate
des Ladetransistors T liegende Digitalsignal den Pegel logisch "1" hat, über den
Widerstand R1 auf geladen und wenn das am Transistor T liegende Digitalsignal den
Wert "0" hat über den veränderlichen und von dem zu steuernden Gerät als Istwertgeber
beaufschlagten Widerstand Ro entladen. Im Beispiel des W«schetrockners kann der
Wert des Widerstands ru durch den Feuchtigkeitsgehalt der sich im Wäschetrockner
befindenden Wäsche bestimmt sein. Am zweiten Kondensator C2 stellt sich dann eine
Gleichgewichtsspannung U (bezogen auf das Bezugspotential) ein, die einerseits vom
Wert des Widerstands Ro und andererseits vom Tastverhältnis des Steuersignals am
Transistor T bestimmt wird. Durch die Einstellung des Tastverhältnisses der am Gate
des Transistors T liegenden Taktimpulse ist es deshalb möglich, den
Wert
des veränderbaren Widerstandes Ro festzulegen, bei dem der Schwellwertschalter SW
umschaltet.
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Die Einstellung der Frequenz und des Tastverhältnisses der zur Steuerung
des Ladetransistors T dienenden Ladeimpulse erfolgt gewöhnlich über ein Monoflop,
dessen RC-Zeit einstellbar ist.. und welches aufgrund der von dem Taktgeber des
in der Steuerschaltung verwendeten Mikrocomputers gelieferten Triggerimpulse aktiviert
wird. Die RC-Zeit des Monoflops wird mittels externer Widerstände und/oder Kapazitäten
eingestellt.
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Soll nun die Steuerschaltung möglichst weitgehend in monolithisch
integrierter Halbleitertechnik realisiert werden, so bringt jedoch die soeben beschriebene
Möglichkeit den Nachteil mit sich, daß zur Ausführung der Steuerung eine digitale
Elektronik, z.B. ein Mikrokomputer, und zur Realisierung der Monoflops hingegen
analoge Schaltungsteile erforderlich sind, die dann in derselben monolithisch integrierten
Schaltung zu realisieren sind. Es wäre deshalb eine Lösung wünschenswert, die -
abgesehen von dem der Istwertvermittlung an die Steuerschaltung dienenden veränderlichen
Widerstand Ro - ohne die Anwendung von der Einstellung des analogen Grenzwertes
für die Steuerschaltung dienenden analogen Einstellungsmitteln auskommt und die
in der Lage ist, die Frequenz und das Tastverhältnis der den Ladetransistor T steuernden
Digitalimpulse in auf rein digitaler Grundlage beruhender Weise einzustellen. Mit
der Lösung dieser Aufgabe befaßt sich die vorliegende Erfindung.
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Gemäß der Erfindung ist hierzu eine elektronische Steuerschaltung
der eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der digitalen
Ladeimpulse zu dem Kondensator unmittelbar durch einen Mikrocomputer gesteuert ist.
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Ein Mikrocomputer kann nämlich auf einfache Weise so programmiert
werden, daß er digitale Impulse mit einstellbarem Tastverhältnis und einstellbarer
Frequenz an einem seiner Ein-/Ausgänge zur Verfügung stellt, die dann unmittelbar
zur Aufladung des Kondensators C1 in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung über
den Widerstand R1 verwendet werden können. Damit kann der Ladetransistor T wegfallen.'Eine
Änderung der eingestellten Werte für die Frequenz bzw. für das Tastverhältnis der
Ladeimpulse ist nur möglich, wenn entweder das Programm geändert wird oder der Zustand
an den digitalen Eingängen sich ändert. Sollen beispielsweise für einen Wäschetrockner
fünf Feuchtigkeitsgrade mit einer Genauigkeit von 7% vorgegeben werden, so sind
dafür bei der bisherigen Methode mit Monoflops fünf Widerstände zur Einstellung
der vorgesehenen fünf Feuchtigkeitsgrade erforderlich. Bei der der Erfindung entsprechenden
Steuerschaltung müssen stattdessen lediglich fünf 4 Bit breite Digitalworte an den
Rechner angelegt werden. Dabei ist gemäß der weiteren Erfindung vorgesehen, daß
die den fünf Feuchtigkeitsgraden entsprechenden fünf 4-Bit-Digitalworte in einen
vier-Bit-breiten Eingang multiplexiert werden. Diese Methode ist vor allem deshalb
interessant, weil über die gleichen Eingänge des den Kern der Steuerschaltung darstellenden
Mikrocomputers noch zusätzliche Informationen eingegeben werden können.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung ist aus Fig. 2 ersichtlich. Der Kern
der dort dargestellten elektronischen Steuerschaltung ist durch einen Mikrocomputer
MC, z.B.
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einen K2-Rechner gegeben. Er weist sieben Daten-Ein/Ausgänge 1 bis'7,
fünf Mulfiplex-Ausgänge 8 bis 12, einen Taktausgang 13 für die Istwertmessung (z.B.
die Messung des Feuchtigkeitsgehalts der sich in der gesteuerten Trockenanlage befindlichen
Wäsche),einen durch den Schwellwertschalter SW gesteuerten eingang 14 sowie die
Steuerausgänge 15 bis 19 auf. Der Taktausgang 13 des Rechners MC
dient
über den Widerstand R1 unmittelbar zur Beaufschlagung des Kondensators C1 des der
Einstellung des analogen Grenzwertes dienenden Teils der Steuerschaltung, die gemäß
Fig. 1 mit Ausnahme des hier fehlenden Transistors T aufgebaut ist.
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Der hier im Detail gezeigte Schwellwertschalter SW hat als Kern e-inen
MOS-Feldeffekttransistor T1 vom Anreicherungstyp, dessen Drain über einen gfiderstand
R4 am ersten Betriebspotential "+" und dessen Source über einen weiteren Widerstand
R5 am Bezugspotential "-" liegt. Der Ausgang des aus der Kapazität C2 und dem Widerstand
R2 bestehenden Tiefpasses liegt über einen weiteren Widerstand R3 am Gate des besagten
Transistors T1 in dem Schwellwertschalter SW.
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Jeder der Daten-Ein-/Ausgänge 1 bis 7 des Mikrocomputers MC ist unmittelbar
mit der Kathode einer Leuchtdiode D1 bis D7 verbunden, während die Anoden dieser
Leuchtdioden am Kollektor eines Bipolartransistors Tr, z.B. eines pnp-Transistors,
liegen. Die Basis dieses Bipolartransistors Tr ist mit dem ersten MultiplexrAusgang
des Mikrocomputers MC, also dem Multiplex-Ausgang 8, verbunden, während sein Emitter
durch ein festes Betriebspotential, z.B. von 5 V, beaufschlagt ist.
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Ein erster Schalter S2 und ein weiterer Schalter S1 sind fest mit
dem Multiplex-Ausgang 12 des Mikrocomputers MC verbunden. Mittels des Schalters
S2 kann der besagte Multiplex-Ausgang 12 alternativ an die Daten-iEin-/Ausgänge
1 bis 5 des Mikrocomputers MC angeschlossen werden, während mittels des SchaLters
S2 der Multiplex-Ausgang 12 alternativ an die Daten-Ein-/Ausgänge 6 und 7 anschaltbar
ist.
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Die Multiplex-Ausgänge 9, 10 und 11 des Mikrocomputers MC sind in
folgender Weise mit den Daten-Ein-/Ausgängen
1 bis 7 über je eine
Lötbrücke verbunden: Der Multiplex-Ausgang 9 liegt über die Brücke B11 am Daten-Ein-/Ausgang
1, über die Brücke B12 am Daten-Ein-/Ausgang 2, über die Brücke B13 am Daten-Ein-/Ausgang
3 und über die Brücke B14 am DatEin-/Ausgang 4. Anderseits ist der Multiplex-Ausgang
9 über die Lötbrücke B14 mit dem Daten-Ein-/Ausgang 5, über die Lötbrücke B42 mit
dem Daten-Ein-/Ausgang 6 und über die Lötbrücke B43 mit dem DatEin-/Ausgang 7 verbunden.
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Der Multiplex-Ausgang 10 des Rechners MC ist über die Lt-%.
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brücke B21 auf den Daten-Ein-/Ausgang 1, über die Lötbrükke B22 auf
den Daten-Ein-/Ausgang 2, und über die Lötbrücke Bz3 auf den Daten-Ein-/Ausgang
3 sowie über die Lötbrücke B24 auf den Daten-Ein-/Ausgang 4 geschaltet, während
zwischen dem Daten-Ein-/Ausgang 5 und dem Multiplex-Ausgang 10 keine Verbindung
vorgesehen ist. Durch die Lötbrücken B54 und 344 wird schließlich der Multiplex-Ausgang
10 mit den Daten-Ein-/Ausgängen 6 und 7 verbunden.
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Durch eine Lötbrücke B31 ist eine Verbindung zwischen dem Daten-Ein-/Ausgang
1 und dem Multiplex-Ausgang 11, über die Lötbrücke B32 eine Verbindung zwischen
dem Daten-Ein-/Ausgang 2 und dem Multiplex-Ausgang 11, über die Lötbrücke 333 eine
Verbindung zwischen dem Daten-Ein-/Ausgang 3 und dem Multiplex-Ausgang 11, über
die Brücke B34 eine Verbindung zwischen dem Daten-Ein-/Ausgang 4 und dem'Multiplex-Ausgang
11 gegeben. Außerdem ist der Multiplex-Ausgang 11 über die Lötbrücke B51 mit dem
Daten-Ein-/Ausgang 5, über die Lötbrücke B52 mit dem Daten-Ein-/Ausgang 6 und über
die Lötbrücke B53 mit dem Daten-Ein-/Ausgang 7 verbunden.
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Aufgrund der in Fig. 2 dargestellten und soeben beschriebenen Schaltung
ergeben sich für die genannten Leuchtdioden, Lötbrücken und Schalter S1 und S2 folgende
Funktionen:
a) Die Leuchtdioden D1 D D5 dienen der Anzeige des
jeweils erreichten Istwertes, z.B. des Feuchtigkeitsgrades bzw. der abgelaufenen
Zeit.
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b) Die Leuchtdiode D6 dient der Anzeige der Istwertsteuerung und die
Leuchtdiode D7 der Zeitsteuerung.
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c) Durch Einsetzen oder Weglassen der Lötbrücken B11 B14 wird der
erste Sollwert, z.B. für den ersten Feuchtigkeitsgrad, digital definiert.
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d) Durch Einsetzen oder Weglassen der Lötbrücken B21 ~ B24 wird der
zweite Sollwert, z.B. für den zweiten Feuchtigkeitsgrad, digital definiert.
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e) Durch Einsetzen oder Weglassen der Lötbrücken B31-B34 wird der
dritte Sollwert, z.B. für den dritten Feuchtigkeitsgrad, digital definiert.
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f) Durch Einsetzen oder Weglassen der Lötbrücken B41-B44 wird der
vierte Sollwert, z.B. für den vierten Feuchtigkeitsgrad, digital definiert.
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g) Durch Einsetzen oder Weglassen der Lötbrücken B51-B54 wird der
fünfte Sollwerte, z.B. für den fünften Feuchtigkeitsgrad, digital definiert.
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h) S1 ist der Umschalter zwischen Zeitsteuerung und Istwertsteuerung
und S2 ist der Umschalter zwischen den einzelnen Zeit/Istwertstufen.
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Der Rechner MC arbeitet in folgender Weise: An jeweils genau einem
der Multiplex-Ausgänge 8 bis 12 liegt niederohmig ein L-Pegel, während alle anderen
einen H-Pegel zeigen. Dieser L-Pegel wird in regelmäßigem Abstand zum jeweils nächsten
Multiplex-Ausgang weitergeschaltet.
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Liegt der L-Pegel am Multiplex-Ausgang 8, dann werden durch den Transistor
Tr sämtliche Leuchtdioden D1 bis D7 mit ihrer Anode niederohmig an das Potential
+ 5 V gelegt. Gleichzeitig arbeiten die Daten-Ein-/Ausgänge 1 bis 7 als Ausgänge.
Soll eine Diode leuchten, so wird am zugehörigen Daten-Ausgang des Mikrocomputers
ein niederohmiger L-Pegel erzeugt.
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Liegt einer der Multiplex-Ausgänge 9 - 12 auf dem L-Pegel, so sind
die Daten-Ein-/Ausgänge 1-7 als Eingänge geschaltet. Sie haben damit einen hochohmigen
Widerstand zum Potential + 5 V. Während der Multiplex-Ausgang 9 auf dem L-Pegel
ist, kann damit der Rechner MC einlesen, welche der Lötbrücken B11 ~ B14 sowie B41
- 343 vorhanden sind, da nur dann der zugehörige Dateneingang 1 bis 7 nach dem L-Pegel
des Multiplex-Ausgangs 9 gezogen wird.
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Auf gleiche Weise werden während der anderen Multiplex-Phasen die
restlichen Lötbrücken und die Stellung der Schalter S1 und S2 festgestellt.
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Durch die Rechnerprogrammierung wird das Tastverhältnis an dem Taktausgang
13 des Mikrocomputers MC für den durch Dateneingabe und Programmablauf definierten
Sollwert für die analoge physikalische Größe festgelegt. Durch Abfrage des Eingangs
14 kann der Rechner die Stellung des Schwellwertschalters SW feststellen und somit
den weiteren Ablauf steuern.
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2 Figuren 8 Patentansprüche