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Gatterschaltung, bestehend aus einem mehrere Eingänge und einen Ausgang
aufweisenden Transistorschaltverstärker Zur Steuerung von technischen Prozessen,
insbesondere von Werkzeugmaschinen, z. B. Pressen, werden unfallsichere Halbleitersteuerungen
benötigt. Die hierbei verwendeten Steuerbausteine müssen so aufgebaut sein, daß
nur dann Steuerbefehle verarbeitet und weitergegeben werden können, wenn die Funktionstüchtigkeit
der Bausteine gewährleistet ist. Das bedeutet, daß ein Einschaltbefehl für die Inbetriebnahme
eines bewegbaren Maschinenteils nur auf Grund eines entsprechenden Steuerbefehls
des Steuerprogrammgebers erfolgen darf, keinesfalls aber bei Ausfall eines Bauelements,
bei Drahtbruch oder Erdschluß auf den Eingangsleitungen solcher befehlverarbeitenden
Bausteine. Da an den Ausgängen der Bausteine nur zwei verschiedene Signalzustände
auftreten können, ist die Gefahr gegeben, daß trotz anstehendem Ausschaltbefehl
für das Maschinenteil infolge eines Defektes im befehlverarbeitenden Baustein ein
Einschaltbefehl aus- oder weitergegeben werden kann, der das von der Maschine bearbeitete
Objekt und/oder sogar das Bedienungspersonal gefährden könnte. Um dies zu vermeiden,
muß die Steuerung so aufgebaut sein, daß bei in den Steuerbausteinen oder Bausteingruppen
auftretenden Fehlern -stets nur ein Steuerbefehl verausgabt werden kann, der das
Steuerorgan in die sichere Betriebslage, also in den Ausschaltzustand, steuert.
Ein Maschinenstillstand bzw. ein Produktionsausfall ist dann zwar störend, aber
eher hinnehmbar als eine Zerstörung des bearbeitenden Gutes oder gar eine gesundleitliche
Beeinträchtigung des Bedienungspersonals.
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Es ist bei fehlergeschützten (eigensicheren) Und-Gatterschaltungen
bekannt, die Kollektorspeisespannung für den Transistor des Schaltverstärkers aus
einer der Signalspannungen eines vorangestellten Bausteins zu gewinnen und an die
Transistorbasis in üblicher Weise andere Signalspannungen aus anderen Bausteinen
anzulegen. Steht bei einem solchen Und-Gatter auf Grund eines Fehlers im vorangestellten
Baustein die Kollektorspeisespannung für den Transistor dauernd an, so ist, wenn
auch die basisseitig zugeführten Signale anliegen, fälschlich die Und-Bedingung
erfüllt. Es ist bei solchen fehlergeschützten Und-Gattern weiter bekannt, die .Signalspannungen
als Impulsspannungen über entsprechende Koppelglieder, wie Kondensatoren, zuzuführen;
ein solches Gatter kann dann aber keine statischen Ausgangssignale anderer Bausteine
verarbeiten, was in vielen Fällen jedoch wünschenswert ist.
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Die Erfindung befaßt sich deshalb mit der Aufgabe, ein eigensicheres
Gatter aufzubauen, dessen Eingangs- und Ausgangssignale statische Signale sind.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Gatterschaltung, bestehend
aus einem mehrere Eingänge und einen Ausgang aufweisenden Transistorverstärker,
bei dem der Eingangstransistor seine Kollektorspannung aus einer Signalspannung
der in der Steuerkette vorangehenden Baueinheit bezieht und bei dem dem Ausgangstransistor
impulsförmige Signale in Dauersignale umwandelnde Bauelemente zugeordnet sind, zur
Darstellung logischer Funktionen, und die Erfindung besteht darin, daß der Kollektor
des Eingangstransistors bzw. die Kollektoren der Zwischenstufentransistoren über
Entkopplungswiderstände ausschließlich mit den zugehörigen Gattereingängen sowie
galvanisch mit der Basis des folgenden Transistors des Transistorschaltverstärkers
verbunden sind, daß die Basis des Eingangstransistors an einer ständig, vorzugsweise
hochfrequente Impulsfolgen abgebenden Quelle liegt und daß der Kollektor des Ausgangstransistors
einerseits an das Betriebspotential sowie über die die impulsförmigen Signale in
Dauersignale umwandelnden Bauelemente an den Gatterausgang angeschlossen ist.
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Im Gegensatz zu bekannten Gatterschaltungen ist somit die Eingangssignalspannung
ausschließlich dem Kollektor, nicht aber der Basis des Eingangstransistors zugeführt,
wogegen die Transistorbasis lediglich von den Impulsfolgen des Impulsgenerators
beaufschlagt wird.
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Zum Aufbau eines Oder-Gatters ist jeder Gattereingang über einen Entkopplungswiderstand
mit dem Kollektor des Eingangstransistors verbunden. Der Kollektor des Eingangstransistors
ist mit der Basis
des Endtransistors über einen Schutzwiderstand
gekoppelt, und die Basis jedes Transistors ist über einen Vorwiderstand auf einem
Ruhesperrpotential gehalten. Die Gleichstromsperre besteht aus einem Kondensator
oder einem Transformator. Bei Verwendung eines Transformators. als Gleichstromsperre
ist das Übersetzungsverhältnis des Transformators zweckmäßig so zu wählen, daß die
nachgeschaltete Gleichrichteranordnung eine Gatterausgangsgleichspannung liefert,
die gleich oder um ein geringes größer ist als die Gattereingangssteuerspannung.
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Die Oder-Gatterschaltung nach -der Erfindung kann zu einem Und-Gatter
erweitert werden, und zwar dadurch, daß mehrere der Grundgatter (Oder-Gatter) kettenartig
hintereinandergeschaltet werden, wobei ein Ausgang des einen mit einem Eingang des
nächsten Gatters verbunden wird.
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Zur weiteren Vereinfachung bei der Zusammenfassung von mehreren Oder-Gattern
zu einem Und-Gatter braucht jedem Und-Gattereingang lediglich ein einziger (Eingangs-)
Transistor zugeordnet zu sein, wobei alle hinsichtlich ihrer Anzahl der Anzahl der
Eingänge angepaßten (Eingangs-) Transistoren kettenartig hintereinandergeschaltet
werden, indem der Kollektor des einen mit der Basis des folgenden verbunden ist,
und der erste Transistor der Kette basisseitig an die Impulsquelle, der letzte Transistor
der Kette kollektorseitig an die Basis des einzigen Endtransistors angeschlossen
ist.
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Ausführungsbeispiele und weitere Merkmale der Erfindung seien nachstehend
an Hand von zwei Figuren näher erläutert.
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Die F i g. 1 veranschaulicht einen zweistufigen Schaltverstärker mit
den npn-Silizium-Planar-Transistoren T1 und T5. Die Emitter beider Transistoren
liegen auf dem Bezugspotential M, d. h. dem Mittelpunkt einer Batterie, deren positiver
Pol mit P und deren negativer Pol mit N bezeichnet ist. Der Kollektor des Transistors
T1 ist über Widerstände R", Riii R12 bzw. R13 mit den Gattereingängen 10, 11, 12,
13 verbunden. Die Basis des Transistors T1 ist über den Schutzwiderstand R2 an den
Hilfseingang F angeschlossen, der von Rechtecksignalfolgen der Quelle Q beaufschlagt
wird. Der Kollektor des Transistors Ti ist des weiteren über den Schutzwiderstand
R2 mit der Basis des Endtransistors T5 verbunden, dessen Kollektor über den
Kollektorwiderstand R3 am Versorgungspotential P liegt. Beide Transistoren T1 und
T5 liegen überdies basisseitig, und zwar über die Widerstände R4 bzw. R5, auf dem
Ruhesperrpotential N. Schließlich ist der Kollektor des Transistors T5 über
den als Gleichstromsperre wirkenden Kondensator Cl und die Gleichrichteranordnung
G, welche die Dioden Dl und D2 sowie den Ladekondensator C2 umfaßt, mit dem Ausgang
50 verbunden.
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Wird an einen, mehrere oder alle der Gattereingänge 10 bis 13 des
Oder-Gatters eine gegen M positive Signalspannung angelegt, so erhält der Transistor
T1 sein Kollektorspeisepotential; er ist damit betriebsfähig und überträgt die seiner
Basis zugeführten, vorzugsweise rechteckigen Signalspannungen der Quelle Q auf die
Basis das Transistors 75. Damit gelangen die Rechteckimpulsfolgen
- deren Impuls folgefrequent etwa 50 kHz betragen möge --_. über den Sperrkondensator
Cl auf die Gleichrichteranordnung G, so daß am Ausgang 50 eine nicht unterbrochene
Gleichspannung ansteht. Wird dagegen die Steuersignalspannung an allen Eingängen
10 bis 13 abgeschaltet, so erhält der Kollektor des Transistors Ti keine Versorgungsspannung
mehr, was zur Folge hat, daß auch am Ausgang 50 die Ausgangsgleichspannung verschwindet.
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Es ist leicht einzusehen, daß ein Verschwinden der Ausgangssignalspannung
am Ausgang 50 auch dann eintritt, wenn bei ordnungsgemäßer Signalansteuerung mindestens
eines der Eingänge 10 bis 13 eines der Bauteile, z. B. die Widerstände Rio bis R13,
R1 und R" die Transistoren T1 und 7 5 oder die Signalquelle O defekt
wird.
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Aus mehreren der ein eigensicheres Oder-Gatter darstellenden Bausteine
gemäß F i g. 1 kann durch Zusammenschalten ein ebenfalls eigensicheres Und-Gatter
aufgebaut werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die einzelnen Oder-Gatter
kettenartig hintereinanderzuschalten, wobei dem in der Kette ersten Oder-Gatter,
wie in F i g. 1 veranschaulicht, die Signalspannungen der Quelle Q auf die Klemme
F gegeben werden, während der Kollektor des Transistors T5 oder der Punkt A der
Gleichrichteranordnung G mit dem Eingang F des nächsten Bausteins verbunden wird.
Die Klemme 10, 11, 12 oder 13 des ersten Kettengliedes bildet dann zusammen mit
der Eingangsklemme 1'0, 11, 1.2 oder 13 des nächsten bzw. aller folgenden Kettenglieder
die Und-Eingänge des auf diese Weise zusammengesetzten Und-Gatters. Die Impulse
der Signalquelle Q werden in diesem Falle dann und nur dann zur Gleichrichteranordnung
G bzw. zum Ausgang 50 des letzten Kettengliedes hin durchgelassen, wenn alle Bauelemente
des Gesamtaufbaus funktionstüchtig sind und wenn mindestens einem der Eingänge 10
bis 13 jeder Eingangsgruppe der Gesamtkette ein gegen M positives Eingangssignal
eingegeben wird.
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Der Aufbau eines solchen Und-Gatters läßt sich im Bedarfsfalle wesentlich
vereinfachen, wobei alle Ausgangstransistoren T; bis auf einen einsparbar sind.
Eine solche Abwandlung veranschaulicht die Fig.2.
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Jedem Und-Gattereingang 10, 20; 30, 40 ist lediglich ein einziger
Eingangstransistor T l, 411 T3, T4 zugeordnet. Sämtliche Transistoren sind
kettenartig hintereinandergeschaltet, und zwar ist jeweils der Kollektor des einen
mit der Basis des folgenden verbunden. Der in der Kette erste Transistor T1 ist
basisseitig über die Klemme F an die Rechtecksignalquelle Q angeschlossen, während
der letzte Transistor der Kette T4 kollektorseitig an die Basis des Endtransistors
75 angelegt ist, dessen Kollektor wie zu F i g. 1 veranschaulicht - über
den Kondensator Cl und die Gleichrichteranordnung G den Ausgang 50 beeinflußt. Die
Eingangsgruppen 10 bis 13 bzw. 20, 21 bzw. 30, 31 bzw. 40, 41 bilden unter sich
Oder-Eingänge, so daß nicht nur eine Realisierung der Funktionen »Oder« und »Und«,
sondern auch eine Darstellung der Funktionen »Oder vor Und« bzw. »Und vor Oder«
möglich ist.
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An Stelle des veranschaulichten Kondensators Cl als Gleichstromsperre
kann auch ein Transformator vorgesehen sein. Diese Variante sichert die Möglichkeit,
durch geeignete Wahl des Windungsübersetzungsverhältnisses dieses Transformators
die Größe der abgegebenen Ausgangsgleichspannung am Ausgang 50 der Größe der Eingangssteuerspannung
an den Klemmen 10, 20, 30, 40 anzupassen oder
gegebenenfalls die
Ausgangsspannung um ein geringes -rößer als die Eingangsspannung zu wählen.