-
Schaltungsanordnung mit einer oder mehreren bistabilen Kippschaltung(en)
als Speicherelement(e) (Haftspeicher) Die Erfindung bezieht sich auf eine bistabile
Kippschaltung als Gedächtniselement in kontaktlosen Steuer- und Regelanlagen, mit
Mitteln zur Sicherung des Informationsinhalts bei bzw. nach Ausfall der Stromversorgung.
-
Kippschaltungen solcher Art, die mit Röhren oder vorzugsweise Transistoren
bestückt sind, werden als Haftspeicher bezeichnet und bestehen im wesentlichen aus
zwei kreuzweise gekoppelten Norgattern, wobei in den (Anoden-) Kollektorkreis bzw.
Rückkopplungskreis der zum Aufbau benötigten Verstärkerelemente Wicklungen eines
Transformators mit hochpermeablem Kern eingeschaltet sind. Haftspeicher solcher
Art beruhen auf dem Grundgedanken, daß der in den Kern eingeschriebene Informationsinhalt
der betreffenden bistabilen Kippschaltung bei oder nach Ausfall der Stromversorgung,
d. h. der Betriebsspannung für die Verstärkerelemente, im Kern erhalten bleibt und
nach Wiederkehr der Versorgungsspannung wieder herausgelesen werden kann.
-
Bei den bekannten Haftspeichern ist der benötigte Speicherkern mit
seinen Wicklungen fest in die bistabile Kippstufe eingefügt, so daß stets nur bistabile
Kippstufen (Gedächtnisstufen) entweder mit Speicherverhalten oder - wenn der Transformator
fehlt - ohne Speicherverhalten zur Verfügung stehen. In vielen Anwendungsfällen,
wo kontaktlose Steuerbausteine, im besonderen Gedächtnisstufen, zum Aufbau von Prozeßsteuer-
und Regelanlagen benötigt werden, sind jedoch Gedächtniselemente mit Haftspeicherverhalten
häufig nicht vonnöten, sei es, daß mit Ausfällen der Versorgungsspannung nicht gerechnet
werden muß, sei es, daß die Versorgungsspannung gepuflerten Batterien entnommen
wird. Würde man in solchen Steuerungsaufbauten ausschließlich bistabile Gedächtnisstufen
(Flip-Flops) mit Haftspeicherverhalten vorsehen, so würde eine solche Steuer- bzw.
Regelanlage durch den zusätzlichen Aufwand, der durch den Einbau von Speicherkernen
in jede Gedächtnisstufe bedingt ist, erhebliche Kosten erfordern.
-
Die Erfindung weist zur Behebung dieser Nachteile einen anderen Weg
und besteht bei einer Schaltungsanordnung mit einer oder mehreren bistabilen Kippschaltung(en)
als Speicherelement(e) und mit Mitteln zur Sicherung des Informationsinhalts bei
bzw. nach Ausfall der Stromversorgung (Haftverhalten) darin, daß bei Verwendung
von Kippstufen ohne Haftspeicherverhalten jeder derartigen Kippstufe zum Um- oder
Nachrüsten in Gedächtnisstufen mit Haftverhalten ein Zusatzbaustein mit zwei Verstärkerelementen
(Transistoren) dient, bei dem im Kollektorkreis des ersten, basisseitig den Bausteineingang
bildenden Transistors die Primärwicklung eines Zweiwicklungstransforrnators mit
hochpermeablem, vorzugsweise ringförmigem Kern angeordnet ist, dessen Sekundärwicklung
die Steuerstrecke des zweiten, kollektorseitig den Bausteinausgang bildenden Transistors
beeinlußt, und daß die Zusammenschaltung zwischen Gedächtnisstufe und Zusatzbaustein
durch äußere Beschaltung in der Weise erfolgt, daß der Ausgang des Zusatzbausteins
mit einem Setzeingang der Gedächtnisstufe, der Löschausgang der Gedächtnisstufe
mit einem der Eingänge des Zusatzbausteins, ein weiterer Eingang dieses Bausteins
über einen Schalter in einem zentralen Steuergerät für die Stromversorgung mit dem
Bezugspotential und einer der Löscheingänge der Gedächtnisstufe über einen weiteren
Schalter mit dem Betriebspotential im Steuergerät verbunden ist, welches einen Grenzwertmelder
und eine Relaisfolgeschaltung für die zeitlich gestaffelte Zu- oder Abschaltung
der Speisepotentiale der Stromversorgung enthält.
-
Durch die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, einer bistabilen
Gedächtnisstufe ohne Haftspeicherverhalten einen Zusatzbaustein zuzuordnen, der
ihr im Bedarfsfalle dieses Haftspeicherverhalten verleiht, können in fortschrittlicher
Weise Steuerschaltungen mit Gedächtnisstufen völlig freizügig projektiert werden,
und überdies können Steueranlagen mit Kippstufen ohne Haftspeicherverhalten durch
Beiordnung einer entsprechenden Anzahl von Zusatzbausteinen, die das Haftspeicherverhalten
einiger oder aller Kippstufen sichern, nachgerüstet werden.
Bei
älteren, bereits bestehenden Steuerungsanlagen mit Gedächtnisstufen ohne Haftspeicherverhalten
ist es nicht ohne weiteres möglich, den Gedächtnisstufenbaustein ohne Haftspeicherverhalten
einfach zu entfernen und durch einen fertig verdrahteten, einheitlich, sowohl die
bistabile Kippstufe als auch den bzw:- die Speicherkerne gemeinsam enthaltenden
Baustein zu ersetzen, weil die jeweiligen Bausteinträger (Prints) der älteren Anlagen
meist mit mehreren Kippstufen besetzt sind und jeweils auf einem Träger (Print)
wegen des Platzbedarfs der Speicherkerne nicht ebenso viele Kippstufen mit Haftspeicherverhalten
untergebracht werden können wie Kippstufen ohne Haftspeicherverhalten. Bei neuen
Anlagen wäre es zwar möglich, von vornherein, schon bei der Projektierung, ausschließlich
Kippstufenbausteine mit bereits fest eingebauten Speicherkernen vorzusehen, also
jeder Kippstufe Haftspeicherverhalten zu verleihen; diese Maßnahme würde aber eine
unnötige Verteuerung der Gesamtanlage in solchen Fällen mit sich bringen, wo ein
Betriebsspannungsausfall gar keine Mensch, Maschine oder Produkt gefährdende Betriebssituationen
auslösen kann.
-
Durch die Erfindung ist dagegen gewährleistet, daß im Bedarfsfall
- sowohl ältere als auch neuere Anlagen mit Gedächtnisstufen ohne Haftspeicherverhalten
durch Um- bzw. Nachrüsten ganz oder teilweise zu Anlagen mit betriebssichernden,
ein Haftspeicherverhalten aufweisenden Gedächtnisstufen ergänzbar sind, zumal die
hierfür benötigten Zusatzbausteine einzeln, paar- oder gruppenweise auf je einem
Träger (Print) aufgebaut sein können, welcher, wenn kein Platz neben der zugehörigen
Kippstufenanordnung im Einschub des Steuerschrankes vorhanden sein sollte, unbedenklich
im Nachbareinschub oder an entfernter Stelle des Steuerschrankes untergebracht werden
kann.
-
Da das benötigte zentrale Steuergerät für die zeitlich gestaffelte
Zu- bzw. Abschaltung der Speisepotentiale ebenfalls in Form - eines Bausteins aufgebaut
werden kann; und im-übrigen für eine Viel-. zahl von Haftspeichergedächtnisstufen
nur einmal gemeinsam benötigt wird, kann eine bestehende Steuerschaltung, die mit
Haftspeicherzusätzen nachgerüstet werden soll, durch Beifügen eines solchen Steuergerätebausteins
ebenfalls nach- bzw. umgerüstet werden.
-
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann nicht nur den in Steueranlagen
vorgesehenen Gedächtnisstufen ein Haftspeicherverhalten gegeben werden, sondern
es ist auch möglich, dieses Haftspeicherverhalten beliebigen bistabilen Kippstufen
zu verleihen, z. B. Registerstufen und bistabilen Stufen in Ein- und Zweirichtungszählern.
-
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beeinflußt der
Grenzwertmelder im Steuergerät ein Relais, dessen Kontaktanordnung im Zuge der Betriebsstromversorgung
für den Speicherzusatz und dessen Arbeitskontakt im Stromkreis des weiteren Relais
angeordnet ist, dessen Ruhekontakt in der Verbindungsleitung zwischen dem Eingang
des. Speicherzusatzes und dem Bezugspotential liegt und dessen Arbeitskontakt im
Stromkreis des weiteren Relais angeordnet ist, über dessen Arbeitskontakte Betriebs-
bzw. Sperrpotentiale schaltbar sind, derart, daß bei Wiederkehr der Speisestromversorgung
folgende Arbeitsschritte der vom Grenzwertmelder beeinflußten Relaisfolgeschaltung
- selbsttätig nacheinander ablaufen: a) Löschen der bistabilen Kippstufe bzw. Kippstufen,
b) Anlegen des Betriebspotentials an den oder die Speicherzusätze, c) Abschalten
des Sperrpotentials vom Eingang des oder der Speicherzusätze sowie gegebenenfalls
d) Anlegen des Betriebspotentials an die übrigen steuernden und gesteuerten Bausteine
der Steuerung und gleichzeitiges Hochschalten der Ansprechwelle des zweiten Transistors
des oder der Speicherzusätze.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an Hand einer
Figur näher erläutert.
-
Die Figur veranschaulicht in drei strichpunktierten Rahmen eingezeichnete
Schaltungen, die je auf Prints aufgebaut oder in Blöcken vergossen sein können.
Der Baustein BK zeigt in symbolischer Darstellung eine bekannte bistabile Kippstufe
ohne Haftspeicherverhalten, der Baustein HZ den Haftspeicher-Zusatzbaustein zur
Stufe BK und der Baustein ZS das zentrale Steuergerät für die zeitlich gestaffelte
Zu- oder Abschaltung _der Speisepotentiale der Stromversorgung. Der Speisestrom
wird einem nicht dargestellten Netzgleichrichter entnommen, dessen Pluspol mit P,
dessen Minuspol mit N und dessen Mittelanzapfung mit Mp bezeichnet ist.
-
Die Schaltung der bistabilen Kippstufe BK ohne Haftspeicherverhalten
ist durch in üblicher Weise über Kreuz gekoppelte NOR-Gatter Ni und N2 symbolisiert;
sie verfügt über-Setzeingänge E3 und E,4, Löscheingänge Ei,-E2, den Ausgang der
Setzseite A und den Ausgang der Löschseite Ä. Man bedient sich solcher bistabilen
Stufen, die mit Transistoren aufgebaut sind, zur Speicherung von Steuerbefehlen,
weil sie durch Steuerbefehle auf den Setzeingang bzw. auf den Löscheingang für die
Dauer in die eine oder andere stabile Lage gekippt werden können, wobei durch einen
Setzbefehl der Ausgang A Signal führt und nach einem Löschbefehl der Ausgang Ä Signal
abgibt; die Ausgangssignale an den Ausgängen A und Ä sind stets invers, d. h. führt
der Ausgang A L-Signal, dann führt der Ausgang Ä 0-Signal und umgekehrt.
-
In der industriellen Elektronik wird die Forderung gestellt, daß nach
Netzspannungsausfall und wiederkehrender Spannung die bistabile Stufe BK ausgangsseitig
stets diejenige Lage wieder einnehmen soll, die sie vor dem Spannungsausfall hatte.
Bei aus Halbleitern (Transistoren) aufgebauten Kippschaltungen dieser Art ist dies
jedoch nicht ohne weiteres der Fall, da das Kippverhalten einer solchen Stufe bei
wiederkehrender Versorgungsspannung nach deren Ausfall im wesentlichen von den Unsymmetrien
der Schaltung abhängt. Zur Lösung dieses Problems muß deshalb, wie eingangs erläutert
wurde, ein Kernspeicherelement verwendet werden, das die Information der bistabilen
Stufe übernimmt, sie bei Netzspannungsausfall -ohne Energiezufuhr beliebig lange
speichert und bei wiederkehrender Spannung die Halbleiterkippschaltung in die frühere
Steuerlage setzt. Deshalb werden die beiden möglichen Schaltzustände der bistabilen
Stufe BK in dem im Zusatzbaustein HZ angeordneten Magnetkern in eine Magnetisierung
im-Uhrzeiger- bzw. Gegenuhrzeigersinn umgesetzt und- können -somit .- auch bei
Spannungsausfällen
- beliebig lange gespeichert werden. Bei wiederkehrender Betriebsspannung wird diese
Information aus dem Speicherkern wieder ausgelesen und die bistabile Transistorkippstufe
zwangsweise in diejenige Lage gesteuert, die sie vor dem Netzspannungsausfall eingenommen
hatte.
-
Der Zusatzbaustein HZ, der jeweils jeder bistabilen Kippstufe BK zugeordnet
werden muß, wenn dieser ein Haftspeicherverhalten verliehen werden soll, enthält
zwei Transistoren P1 und P2, und zwar npn-Silizium-Planar-Transistoren, deren Emitter
an das Bezugspotential Mp geschaltet sind. Im Kollektorkreis des Transistors P1
befindet sich die Wicklung W1 eines Zweiwicklungstransformators T mit hochpermeablem,
vorzugsweise ringförmigen Kern. Die Sekundärwicklung W2 dieses Transformators T
ist einerseits über einen nicht weiter bezeichneten Widerstand an das Betriebspotential
P angeschlossen und andererseits über die Diode G1 mit dem Bezugspotential Mp verbunden.
Die Sekundärwicklung W:,
beeinflußt die Steuerstrecke des zweiten Transistors
P2 über die Diode G2 und das RC-Glied R2C2. Der Bausteinausgang, am Kollektor des
Transistors P." ist mit A1 bezeichnet. Zur sicheren Sperrung des Transistors P.,
kann an seine Basis über einen Widerstand das negative Betriebspotential N angelegt
werden. Die Basis des ersten Transistors P1 führt über Entkopplungsdioden G3 und
G4 zu den Eingangsklemmen El und E.., des Haftspeicherzusatzbausteins
HZ.
-
Das zentrale Steuergerät ZS, als Print oder in Blockbauweise ausgeführt,
ist, wie angedeutet, an die Klemmen P, Mp und N der Stromversorgung anschließbar.
Es umfaßt den Grenzwertmelder GM, der die Größe der Betriebsspannungspotentiale
P, Mp und N prüft und der eine Ansprechschwelle sowie eine Rückkippschwelle aufweist;
er hat die Aufgabe, bei Anstieg der Versorgungsspannung nach Netzspannungsausfall
bei einem bestimmten Schwellenwert die Relaisfolgeschaltung aus den Relais Dl, D2
und D2 zur zeitlich gestaffelten Zu- oder Abschaltung der Speisepotentiale der Stromversorgung
anzusteuern. Der Schaltbefehl des Grenzwertmelders GM bei Erreichen der Ansprechschwelle
ist durch ein zugeordnetes RC-Glied RiC1 verzögerbar.
-
Die Zusammenschaltung der bistabilen Kippstufe BK ohne Haftspeicherverhalten
mit dem Haftspeicherzusatzbaustein HZ erfolgt in der Weise durch äußere Beschaltung,
daß der Ausgang Al des Bausteins HZ mit dem Setzeingang E4 der Stufe BK, der Ausgang
der Löschseite Ä dieser Stufe mit einem der Eingänge El des Bausteins HZ, ein weiterer
Eingang E2 des Bausteins HZ über den Schalter d22 im Steuergerät ZS mit dem
Bezugspotential Mp und einer der Löscheingänge El der Gedächtnisstufe BK über einen
weiteren Schalter V im Steuergerät ZS mit dem Betriebspotential P verbunden
wird.
-
Die Wirkungsweise ist folgende: Führt der Ausgang Ä der Kippstufe
BK Nichtsignal, so wird über den Eingang El des Zusatzbausteins HZ und dessen Transistor
P1 die Wicklung W1 des Transformators T angesteuert, wodurch dessen Kern im Uhrzeigersinn
magnetisiert werden möge. Die Durchflutung der Wicklung W2 des Transformators T,
welche kleiner ist als die der Primärwicklung W1, kann demgegenüber den Kern des
Transformators T im Gegenuhrzeigersinn magnetisieren, wenn die Primärwicklung abgeschaltet
ist. Das bedeutet, daß der Magnetkern je nach der am Eingang El anstehenden Information
entweder im Uhrzeiger- bzw. Gegenuhrzeigersinn magnetisiert wird. Bei Ausfall der
Betriebsspannung bleibt dieser Speicherzustand erhalten.
-
Kommt die Versorgungsspannung wieder und liegt diese am zentralen
Steuergerät ZS an, so wird zunächst das positive Betriebspotential P über den Schalter
d12 und den Schalter V, der zweckmäßig als elektronischer Schalter mit zwei Transistoren
in Emitterfolgeschaltung aufgebaut ist, an den Eingang El der Kippstufe BK angelegt
und damit die Gedächtnisstufe zwangläufig gelöscht, wobei am Ausgang Ä Signal entsteht.
Sobald die Betriebs-Spannung den Ansprechschwellwert des Grenzwertmelders
GM erreicht hat, spricht dieser, infolge des Tiefpasses Ricl, verzögert an,
wobei das Relais Dl erregt wird. Durch Umlegen seines Kontaktes dlz verschwindet
zunächst der Löschimpuls am Eingang El der Kippstufe BK, und dann erscheint das
Potential P auf der Leitung Y im Speicherzusatz HZ, so daß die Transistoren P1 und
P2 ihre Kollektorspannung erhalten können. Der Transistor P1 bleibt jedoch noch
gesperrt, da der Eingang E2 des Zusatzes HZ über den geschlossenen Schalter d22
noch auf Mp-Potential liegt. Beim Durchschalten des P-Potentials in den Haftspeicherzusatz
HZ wird der Kern des Transformators T über die Wicklung W2 im Gegenuhrzeigersinn
magnetisiert. Hatte dagegen die bistabile Stufe BK vor dem Spannungsausfall am Ausgang
Ä Signal, dann war der Transistor P1 gesperrt, und der Kern wurde im Gegenuhrzeigersinn
magnetisiert, so daß nach Zuschalten der positiven Versorgungsspannung P an den
Zusatz HZ keine Ummagnetisierung und damit kein Spannungsimpuls an der Wicklung
W2 des Transformators T entsteht. Die bistabile Kippstufe BK wurde dann bereits
durch das Löschsignal richtig gesetzt. War jedoch vor dem Spannungsausfall am Ausgang
Ä der bistabilen Kippstufe BK Nichtsignal vorhanden und somit der Transistor P1
durchlässig, so ist der Magnetkern bei wiederkehrender Spannung zunächst im Uhrzeigersinn
magnetisiert und wird dann durch das Zuschalten der positiven Versorgungsspannung
P ummagnetisiert. Hierdurch entsteht, bei gesperrter primärer Wicklung W1, ein Spannungsimpuls,
der der doppelten sekundären Flußverkettung 2 W2 - Os entspricht. über den der Wicklung
W2 des Transformators E parallelgeschalteten Tiefpaß R2C2 wird dieser Impulse gedehnt,
vom Transistor P.2 verstärkf und über den Ausgang Al der Stufe HZ dem Eingang E4
der bistabilen Kippstufe BK eingegeben.
-
Nach dem Erregen des Relais Dl wird über dessen Kontakt dll das Relais
D2, infolge des diesem parallelgeschaltetem Kondensators C., verzögert zum Ansprechen
gebracht. Nach dem Erregen des Relais D2 öffnet dessen Kontakt d22, wodurch das
Sperrpotential Mp vom Eingang E2 des Zusatzes HZ abgeschaltet wird. Infolge
dieser Entsperrung kann die bistabile Kippstufe BK ihren jeweiligen Informationsinhalt
auf den Speicher T des Zusatzes HZ übertragen.
-
Beim Zuschalten der Versorgungsspannung soll berücksichtigt werden,
daß die bistabile Kippstufe BK von den ihr unmittelbar vorgeschalteten Bausteinen,
gerade beim Wiedereinschalten der Versorgungsspannung, angesteuert werden und dann
Fehlimpulse liefern kann. Um dies zu verhindern,
soll ein weiteres
Relais D3 im zentralen Steuergerät ZS vorgesehen sein, Dieses Relais wird erregt,
sobald das Relais D., angesprochen hat und seinen Kontakt d21 im Stromkreis des
Relais D3 schließt. Der diesem zugeordnete Kontakt d31 hält in geöffnetem Zustand
das Betriebspotential P von den mitangeschlossenen Steuerbausteinen der Gesamtsteuerung
abgeschaltet, so lange, bis das Relais D3 erregt und der Kontakt d31 geschlossen
ist.
-
Weiterhin sollte beachtet werden, daß im normalen, ungestörten Arbeitsbetrieb
der Steuerung die Information der bistabilen Stufe BK mehrfach wechseln kann und
dann fortlaufend wechselnd auf den Haftspeicherzusatzbaustein HZ übertragen wird.
Am Ausgang A1 des Bausteins HZ werden immer dann Setzimpulse auftreten, sobald der
Ausgang A der Kippstufe BK vom Nichtsignal auf Signal umgesteuert wird. Um zu verhindern,
daß ein solcher Impuls die bistabile Kippstufe BK umsteuert, soll über den Kontakt
d32 des Relais D3 durch Anlegen eines erhöhten Sperrpotentials N an die Basis des
Transistors T2 die Ansprechschwelle dieses Transistors so weit erhöht werden, daß
die Rückkopplung vom Haftspeicherzusatz HZ auf die bistabile Kippstufe BK
unterbunden wird.
-
Das zentrale Steuergerät ZS erfüllt auch bei Spannungsausfall eine
für die Informationserhaltung wichtige Funktion. Bei Versorgungsspannungsausfall
erfolgt nämlich der Rückgang der positiven und negativen Versorgungsspannung im
allgemeinen nach unterschiedlichen Zeitkonstanten, die von der Art des Netzgleichrichters
und seiner Belastung abhängen. Bistabile Stufen, der in der Figur mit BK bezeichneten
Art arbeiten aber nur so lange betriebssicher, als der Unterschied zwischen den
Versorgungsspannungen ein gewisses Maß nicht überschreitet. Der Grenzwertmelder
GM im zentralen Steuergerät 2S schaltet deshalb das Relais D1 sowie die weiteren
Relais D2 und D3 und damit die Betriebsspannung P vom Haftspeicher HZ bereits dann
ab, wenn 80% des Nennwerts der Versorgungsspannung unterschritten werden. Damit
ist sichergestellt, daß ein auf Grund des Versorgungsspannungsausfalls eintretender
Kippvorgang in der bistabilen Stufe BK keinesfalls mehr als Information in den Speicher
HZ eingeschrieben werden kann.
-
Die Speichertransformatoren T in den Haftspeicherzusatzbausteinen
HZ werden zweckmäßig je in. eineu Kunststoffblock eingegossen, so daß sie
als kompakte Bauelemente, vergleichsweise wie die Transistoren in die zweckmäßig
gedruckte Schaltung des Haftspeicherbausteins HZ eingefügt werden können.