DE1166260B - Fehlergeschuetztes UND-Element - Google Patents

Description

• Fehlergeschütztes UND-Element Die Erfindung betrifft ein fehlergeschütztes UND-Element mit mindestens einem aktiven Schaltelement, das nur beim Vorhandensein aller Eingangssignale einen Wert des binären Signals erzeugt.
• In der Technik werden in neuerer Zeit in größerem Umfang ruhende Steuerungssysteme angewendet. Für viele Anwendungsfälle, z. B. bei einer Pressensteuerung, besteht insbesondere im Hinblick auf die Unfallgefahr, die Forderung, daß die Steuerung in einem hohen Maß fehlergeschützt sein muß, d. h., daß ein Defekt in der Steuerung keinen gefährlichen Zustand hervorrufen darf. Steuerungen, die diese Forderung weitgehend erfüllen, sind bereits bekannt bzw. vorgeschlagen worden. Bei allen diesen fehlergeschützten Steuerungssystemen machten jedoch die aktiven UND-Elemente bzw. die ODER-NICHT-Elemente noch einige Schwierigkeiten, da z. B. eine Unterbrechung am Eingang, etwa ein Drahtbruch oder eine im sperrenden Sinne defekt gewordene Diode des Diodenvorsatzes, die das Vorliegen eines Eingangssignals vortäuschen würde, nicht immer ohne weiteres erkannt werden kann. Erhalten bei einem derartigen Defekt die anderen Eingänge ein Signal, so gibt das UND-Element ein Ausgangssignal ab und erzeugt damit im allgemeinen einen gefährlichen Zustand, obwohl bezüglich der Signale noch eine Eingangsbedingung fehlt.
• Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein UND-Element mit mindestens einem aktiven Schaltelement, das nur beim Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein aller Eingangssignale einen Wert des binären Signals erzeugt, so aufzubauen, daß es mit einer hohen Sicherheit bei einem Defekt kein Ausgangssignal abgibt.
• Bezüglich eines Defektes auf einer Eingangsseite gelingt die Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß aus dem diesem Eingang zugeordneten Eingangssignal die Versorgungsspannung für das aktive Schaltelement gewonnen wird und die verbleibenden Eingangssignale in an sich bekannter Weise über die Steuerelektrode auf das Schaltelement einwirken.
• Entsteht an dem Eingang, der die Versorgungsspannung liefert, eine Unterbrechung, so erhält das Schaltelement keine Versorgungsspannung, so daß auch beim Anliegen der anderen Steuersignale kein Ausgangssignal erzeugt werden kann.
• Bei einem UND-Element mit nur einem der Steuerelektrode zugeordneten Eingang wird auch dieser Eingang nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch gegen Fehler sicher, daß das Eingangssignal für diesen Eingang eine Wechselspannung oder eine impulsförmige Spannung ist, die über ein nur für diese Spannung durchlässiges Koppelglied an die Steuerelektrode des Schaltelementes angekoppelt ist.
• Das Eingangssignal, aus dem die Versorgungsspannung für das Schaltelement gewonnen wird, kann ein Gleichspannungssignal sein. Vorzugsweise ist jedoch das der Versorgungselektrode zugeordnete Eingangssignal eine Wechselspannung oder eine impulsförmige Spannung, die über ein nur für diese Spannung durchlässiges Koppelglied angekoppelt wird und aus der durch Gleichrichtung bzw. Glättung die Versorgungsgleichspannung gewonnen wird.
• Ein derartiges UND-Element, das mit Wechselspannung bzw. impulsförmiger Spannung als Eingangsspannungen arbeitet, eignet sich im besonderen Maße als Funktionsglied für eine vorgeschlagene binäre Steuerung, die als binäres Steuersignal eine Wechselspannung bzw. eine impulsförmige Spannung aufweist. Die beiden Werte des binären Steuersignals, die bei den bekannten ruhenden Steuerungssystemen durch »Gleichspannung vorhanden« = L-Wert und »keine Gleichspannung« = 0-Wert realisiert werden, sind bei der obengenannten vorgeschlagenen Steuerung durch die Zustandsgrößen »Wechselspannung vorhanden« bzw. »keine Wechselspannung vorhanden« dargestellt.
• Ein derartiges binäres Steuersignal gestattet eine transformatorische oder kapazitive Kopplung der Funktionsglieder und der Endstufe der Steuerung mit dem Stellglied. Durch diese nur für Wechselspannung durchlässige Kopplung der Funktionsglieder wird verhindert, daß durch Gleichspannungssignale, die vom jeweils vorhergehenden Glied auf Grund eines Defektes abgegeben werden, Fehlschaltungen entstehen können.
• Ein defekter, gesperrter oder geöffneter Transistor ist nicht in- der Lage, ein Wechselspannungssignal zu verarbeiten und somit Steuerbefehle auszulösen. Die für eine fehlergeschützte Steuerung notwendige Prüfung der Steuerung wird bei einer derartigen Steuerung praktisch durch das Wechselspannungssignal durchgeführt und erfolgt jetzt nicht mehr, wie bei der gleichstromfähigen Steuerung, am Anfang, in der Mitte und am Ende jedes Arbeitstaktes, sondern einmal je Periode der Steuerwechselspannung, also praktisch dauernd.
• Bei einer kapazitiven Kopplung der Elemente, die bei den Funktionsgliedern am wirtschaftlichsten ist, muß beachtet werden, daß das Steuerspannungssignal hinter den Koppelkondensatoren keine Gleichstromkomponente mehr enthält und so ein Teil der Steuerspannung für das nachfolgende Funktionsglied verlorengeht. Die Gleichstromkomponente läßt sich mit einer Diode (Clampingdiode) wieder herstellen. Diese Schaltung arbeitet genauso, wie die zur Wiederherstellung des Schwarzwertes nach kapazitiv gekoppelten Stufen in Fernsehempfängern.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmögligkeiten des erfindungsgemäßen UND-Elementes erleben sich an Hand der in der Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt F i g. 1 die Schaltung eines bekannten UND-Gatters, F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel eines UND-Elementes nach der Erfindung mit Gleichspannungssignalen zur Beaufschlagung der Steuerelektroden der Schaltelemente, F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer impulsförmigen Spannung zur Beaufschlagung der Steuerelektrode.
• F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel, in dem wesentliche Merkmale der Erfindung kombiniert sind, F i g. 5 eine beispielsweise Schaltungsanordnung zur Verknüpfung von mehr als zwei Signalen.
• In F i g. 1 ist ein bekanntes UND-Element dargestellt, das als aktives Schaltelement einen Transistor T.sl aufweist. Das UND-Element hat beispielsweise drei Eingänge a, b, c, die über einen Diodenvorsatz Dl, D." D., auf die Basis des Transistors einwirken. Beim Fehlen der Eingangsbedingung ist der Transistor über die Widerstände R1, R._, R., bzw. die Spannungsteilerschaltung R4, R(i, R 7 so vorgespannt, daß er sperrt. Der Ausgang B des Transistors hat damit Gegenüber dem Bezugspotential M eine Spannung von - UB. Nur wenn an allen Eingängen ein negatives Signal liegt, wird die Sperrspannung aufgehoben und der Punkt C so negativ gegenüber M, daß der Transistor leitend wird. Punkt B hat damit das Potential M. Die Spannung UB fällt über dem Widerstand R.- ab. Ordnet man z. B. der Spannung - UR den Wert »L« und dem Potential 0 den Wert »0« des binären Steuersignals zu, so hat der Ausgang des UND-Elementes den Wert »0«, wenn an allen Eingängen der Wert »L« liegt. Ein solches Verhalten nennt man »Nicht-Verhalten«, der Ausgang B heißt NEIN-Ausgang. Durch Nachschaltung eines weiteren Transistors kann man einen antivalenten Ausgang, den JA-Ausgang, erhalten.
• Wie man an Hand der F i g. 1 erkennt, täuscht eine Unterbrechung an den Widerständen R1 bis R., bzw. ein Defektwerden der Dioden Dl bis D., im sperrenden Sinne das Vorliegen eines Eingangssignals vor, da die Sperrspannung entfält. Wird z. B, die Diode Dl im sperrenden Sinne defekt, so wird der Transistor bereits ausgesteuert, wenn an den Eingängen b und c »L«-Signal liegt. Ist z. B. das Signal für den Eingang 1 ein wichtiges Zusatzsignal, das z. B. bei Pressen anzeigt, daß die Schutzlichtschranke nicht unterbrochen ist, so kann die Presse betätigt werden, obwohl dieses Signal fehlt. d. h. die Lichtschranke unterbrochen ist und ein Arbeiter sich in der Gefahrenzone befindet.
• Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach F i g. 2 bringt gegenüber der Anordnung nach F i g. 1 bereits insofern einen erheblichen Fortschritt, als der Eingang a gegen Defekte geschützt ist. Erfindungsgemäß wird aus dem Signal dieses Eingangs die Kollektorspannung für den Transistor Tsl gewonnen. Der Eingang n ist zu diesem Zweck über den Arbeitswiderstand R_ mit dem Kollektor des Transistors verbunden. Die anderen Eingänge b, c sind über Dioden D._, D., bzw. einen Widerstand R f@ mit der Basis verbunden. Die Reihenschaltung der Widerstände R4; R7 bewirkt eine derartige Vorspannung des Transistors, daß er im Ruhezustand leitend ist. Der Punkt A hat damit M-Potential. Nur wenn am Eingang a ein negatives Signal, an den Eingängen b, c ein positives Signal liegt. sperrt der Transistor, d. h., am Punkt A liegt die Eingangsspannung des Eingangs a (»L«-Signal). Bei einer Unterbrechung in der Eingangsleitung a erhält der Transistor keine Kollektorspannung mehr, d. h. am Ausgang kann kein Ausgangssignal mehr entstehen.
• F i g. 3 zeigt ein erweitertes Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 mit einem der Basis zugeordneten Eingang, bei dem nach einem weiteren Merkmal der Erfindung auch dieser zweite Eingang dadurch gegen Fehler sicher wird, daß das Eingangssignal für diesen Eingang eine Wechselspannung oder eine impulsförmige Spannung ist, die über einen nur auf dieses Signal durchlässigen Koppelkondensator C., an die Basis des Transistors Tsl angekoppelt ist. Es ist weiterhin eine Diode D.s, die sogenannte »Clampingdiode«, vorgesehen, die in bekannter Weise hinter dem Kondensator C., wieder eine Gleichstromkomponente erzeugt.
• Der Spannungsteiler R4, R7 ist zweckmäßig so dimensioniert, daß der Transistor im Ruhezustand leitet. Am Ausgang kann nur dann eine impulsförmige Spannung entstehen, wenn am Eingang a eine negative Gleichspannung und am Eingang b positive, den Transistor T.sl sperrende Impulse anliegen. Über ein Koppelglied c4 kann ein nächstes Element mit impulsförmigem Steuersignal beaufschlagt werden.
• Setzt man voraus, daß beim Vorhandensein der Impulse am Ausgang A ein gefährlicher Zustand erzeugt wird, so kann dieser Zustand nicht mehr erzeugt werden, wenn am Eingang Unterbrechungen entstehen oder z. B. der Transistor defekt wird, da dann keine Impulse mehr übertragen werden.
• F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen UND-Elementes, das beim Defektwerden irgendeines Elementes mit Sicherheit kein Ausgangssignal mehr abgibt und damit keinen. gefährlichen Zustand erzeugen kann. Die bereits im Zusammenhang mit der F i g. 3 beschriebenen Elemente Tsl, C4, R4 bis R-, C.,, D.; sind mit denselben Bezugsziffern versehen. Während bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 an den Eingang a ein Gleichspannungssignal gelegt wurde, wird bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 der Eingang a ebenfalls mit einer impulsförmigen Spannung beaufschlagt. Dieses Eingangssignal wird über einen Kondensator Cl angekoppelt. Zur Erzeugung des gewünschten Gleichstrommittelwertes ist wieder eine Diode D, vorgesehen, die in ihrer Funktionsweise der Diode D,; entspricht.
• Durch Gleichrichtung mittels der Diode Dl und Glättun- mittels des Kondensators Cwird aus dem Eingangssignal die Kollektorgleichspannung erzeugt. Zur überwachung des Kondensators C, auf Taubheit ist die Anordnung so getroffen, daß die impulsförmigen Eingangssignale für die Eingänge a, b gleichphasig sind.
• Dem Transistor Tsl ist eine weitere Transistorstufe zur Verstärkung des Ausgangssignals des Transistors Tsl nachgeschaltet. Diese Stufe besteht aus dem Transistor Ts, mit dem Arbeitswiderstand R, und einer Spannungsteilerschaltung R2, Rs, die zweckmäßig so dimensioniert ist, daß der Transistor Tsz im Ruhezustand leitend ist; es ist weiterhin ein Widerstand R1 vorgesehen, dessen Bedeutung später erläutert wird. Die zweite Stufe ist über einen Koppelkondensator C4 mit der ersten Stufe wechselstrommäßig verbunden. Zur Herstellung der Gleichstromkomponente hinter dem Koppelkondensator ist eine weitere Clampingdiode D4 vorgesehen. Am Ausgang A kann das impulsförmige binäre Steuersignal abgenommen werden. Der Ausgang ist dabei über ein weiteres Koppelglied mit der nächsten Stufe der Steuerung verbunden.
• Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 kann ein Defekt irgendeines Bauelementes keinen gefährlichen Zustand verursachen, da in diesem Fall keine Impulse mehr übertragen werden, z. B. bei einem Kollektor-Basis-Schluß des Transistors Tsl würden an sich Impulse an den Transistor Ts, gelangen. Diese sind aber wegen der doppelten Spannungsteilung an R,;, R7 und R4 bzw. an R1, R, und RI, sowie wegen der fehlenden Verstärkung des Transistors Tsl zu klein, um den Transistors Ts" durchzusteuern.
• Sollen mehr als zwei Signäle verknüpft werden, so läßt sich z. B. eine Schaltung nach F i g. 5 aufbauen, deren UND-Elemente vorzugsweise durch Elemente nach F i g. 4 realisiert werden. Es ist z. B. auch denkbar, die Kollektorspannung für. den Transistor Ts, aus dem Eingangssignal eines dritten Eingangs C zu gewinnen.
• An Stelle der dargestellten Kondensatoren können z. B. auch induktive übertrager als Koppelglieder verwendet werden. In diesem Fall können in den F i g. 3, 4 die Dioden Dz bis D4 entfallen.
• Als Schaltelemente können z. B. auch Mehrschichtelemente, beispielsweise Vielschichtentrioden, verwendet werden.
• Das erfindungsgemäße UND-Gatter kann an sich überall dort angewendet werden, wo Signale nach einer UND-Funktion verknüpft werden sollen, z. B. als UND-Funktionsglied in einer Schalter- bzw. Pressensteuerung. Besonders vorteilhaft läßt sich das UND-Gatter auch zum Aufbau eines Speichers verwenden.
• Es wurde bereits eingangs erwähnt, daß sich das UND-Element nach der Erfindung, insbesondere die Ausführungsform nach F i g. 4, als Funktionsglied für eine Steuerung eignet, die als binäres Steuersignal Impulse bzw. eine Wechselspannung aufweist. Eine derartige Steuerung ist z. B. in der Auslegeschrift 1125 069 beschrieben.
• Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 bzw. ein Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 mit einem gleichspannungsmäßigen Eingang tt kann auch als »Zerhacker« verwendet werden. Liegt am Eingang b Dauertaktsignal, so wird am Ausgang des UND-Elementes so lange Taktsignal abgegeben, wie am Eingang a eine Gleichspannunliegt, d. h., das Gleichspannungssignal wird in ein-Taktsignal umgewandelt. Diese Maßnahme ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn Bauelemente, die Gleichspannungssignal abgeben, in einer Steuerung mit Taktsignal als Steuersignal verwendet werden sollen.

Claims (11)

1. Patentansprüche: 1. Fehlergeschütztes UND-Element mit mindestens einem aktiven Schaltelement, das nur beim Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein aller Eingangssignale einen Wert des binären Signals erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Eingangssignal die Versorgungsspannung für das aktive Schaltelement gewonnen wird und die verbleibenden Eingangssignale in an sich bekannter Weise über die Steuerelektrode auf das Schaltelement einwirken (F i g. 2 bis 4).
2. 2. UND-Element nach Anspruch 1 mit nur einem der Steuerelektrode zugeordneten Eingang, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal für diesen Eingang eine Wechselspannung oder eine impulsförmige Spannung ist, die über ein nur für diese Spannung durchlässiges Koppelglied an die Steuerelektrode des Schaltelementes angekoppelt ist (F i g. 3).
3. 3. UND-Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Versorgungselektrode des Schaltelementes zugeordnete Eingangssignal ein Gleichspannungssignal ist (Fig.3).
4. 4. UND-Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Versorgungselektrode zugeordnete Eingangssignal eine Wechselspannung oder eine impulsförmige Spannung ist, die über ein nur für diese Spannung durchlässiges Koppelglied angekoppelt wird und aus der durch Gleichrichtung bzw. Glättun- die Versorgungsgleichspannung gewonnen wird (F i g. 4).
5. 5. UND-Element nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schaltelemente, vorzugsweise Transistoren, vorgesehen sind, von denen das erste mit den Eingangssignalen und das zweite mit dem Ausgangssignal des ersten Schaltelementes beaufschlagt wird.
6. 6. UND-Element nach Anspruch 5 mit einem Eingangssignal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltelemente durch ein nur für dieses binäre Steuersignal durchlässiges Koppelglied gleichstrommäßig entkoppelt sind.
7. 7. UND-Element nach den Ansprüchen 2, 4, 6 mit Kondensatoren als Koppelgliedern, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Kondensator zur Potentialveischiebung eine Diode (Clampingdiode) gegen das Bezugspotential geschaltet ist. B.
8. UND-Element nach Anspruch 2 und 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden wechselspannungs- oder impulsförmigen Eingangssignale gleichphasig sind.
9. 9. UND-Element nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Schaltelementes beim Fehlen der Eingangssignale derart vorgespannt ist, da.ß das Schaltelement geschlossen ist und lediglich beim Anliegen der der Steuerelektrode zugeordneten Eingangssignale wieder gesperrt wird.
10. 10. UND-Element nach Anspruch 9 mit einem Transistor als Schaltelement, dessen Emitter an dem Bezugspotential (M) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung zweier Widerstände (Reihenwiderstände) vorgesehen ist, deren Verbindung an die Basis des Transistors geschaltet ist und bei der ein Endpunkt auf einem Potential liegt, das positiver als das Bezugspotential, und bei der der andere Endpunkt auf einem Potential liegt, das negativer als das Bezugspotential ist, wobei die Widerstände so dimensioniert sind, daß zwischen Basis und Emitter eine Vorspannung ansteht, die für sich allein den Transistor öffnet.
11. 11. UND-Element nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung zwischen Koppelglied und Basis mindestens ein Widerstand geschaltet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1050 814.