CH685895A5

CH685895A5 - Sequential switching device using semiconductors

Info

Publication number: CH685895A5
Application number: CH254492A
Authority: CH
Inventors: Bernd Hohlstein
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-08-17
Publication date: 1995-10-31
Also published as: DE9112419U1

Abstract

The switching device provides an overlapping switching sequence in which one current circuit is opened or closed before a second current circuit is closed or opened. It uses a pair of switching semiconductors (I, II), respectively controlled via a switching-in delay element (ZG1) and by a switching-out delay element (ZG2), the latter connected in parallel on the input side. Pref. the switching semiconductors use photocouplers, each having a light-emitting diode (D1, D2) connected in a control circuit and a phototransistor (T1, T2) connected in a controlled switching circuit. A Schmitt trigger (ST1, ST2) can be inserted between each delay element and the respective switching semiconductor.

Description

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CH 685 895 A5 CH 685 895 A5

2 2nd

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Folge-umschaltung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device for sequential switching according to the preamble of claim 1.

Derartige Einrichtungen verwendet man zur unterbrechungsfreien (überlappenden) Umschaltung, insbesondere bei Geräten, die über längere Kabelverbindungen zwischen redundanten Rechnern umgeschaltet werden müssen. Durch die ständige Verbindung des Gerätes mit einem der redundanten Rechner ist durch den Umschalter keine Umladung der Kapazität erforderlich, die in längeren Kabelverbindungen auftritt. Dadurch ist eine geringere Belastung des Umschalters gegeben. Such devices are used for uninterrupted (overlapping) switching, especially in devices that have to be switched over long cable connections between redundant computers. Due to the permanent connection of the device with one of the redundant computers, the switch does not require the capacity to be reloaded, which occurs in longer cable connections. This results in a lower load on the switch.

Die Schaltelemente der bekannten Einrichtung zur Folgeumschaltung sind als mechanische Relais ausgeführt, die nur eine relativ geringe Lebensdauer besitzen und darüber hinaus relativ viel Einbau-volumen benötigen. The switching elements of the known device for sequential switching are designed as mechanical relays which have a relatively short service life and also require a relatively large installation volume.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die gegenüber den bisherigen Einrichtungen eine höhere Lebenserwartung aufweist sowie weniger Einbauvolumen verlangt. The object of the present invention is to provide a device of the type mentioned at the outset which has a higher life expectancy than the previous devices and requires less installation volume.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. According to the invention, the object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.

Bei der erfindungsgemässen Einrichtung zur Folgeumschaltung sind anstelle von mechanischen Relais Halbleiterschalter vorgesehen, die gegenüber mechanischen Relais ausserdem eine höhere Lebensdauer aufweisen. Der erste Halbleiterschalter ist über ein einschaltverzögertes Zeitglied und der zweite Halbleiterschalter über ein ausschaltverzögertes Zeitglied ansteuerbar. Durch die eingangs-seitig parallelgeschalteten Zeitglieder werden die Schaltelemente so gesteuert, dass beim Umschalten der gerade geschlossene Halbleiterschalter solange geschlossen bleibt, bis der andere (noch geöffnete) Halbleiterschalter geschlossen ist. Eine überlappende Umschaltung ist damit auf einfache Weise realisierbar. In the inventive device for sequential switching, instead of mechanical relays, semiconductor switches are provided which also have a longer service life than mechanical relays. The first semiconductor switch can be controlled via a delayed switch-on timer and the second semiconductor switch via a delayed switch-off timer. The switching elements are controlled by the timing elements connected in parallel on the input side in such a way that, when switching over, the currently closed semiconductor switch remains closed until the other (still open) semiconductor switch is closed. An overlapping switchover can thus be implemented in a simple manner.

Bei einer Einrichtung gemäss Anspruch 2 werden Halbleiterschalter auf opto-elektronischer Basis verwendet. Man erhält dann eine besonders schnell schaltende Einrichtung, bei der darüber hinaus auch eine gute galvanische Trennung zwischen Ansteuerkreis und Leistungs-Schaltkreis gegeben ist. In a device according to claim 2, semiconductor switches on an opto-electronic basis are used. A particularly fast-switching device is then obtained, in which there is also good electrical isolation between the control circuit and the power circuit.

Als Fotoempfänger können sowohl Fotodioden mit einem nachgeschalteten Schalttransistor (Anspruch 3) als auch Fototransistoren, Foto-Feldeffekt-Transistoren oder Foto-Thyristoren (Ansprüche 6 bis 8) verwendet werden. Both photo diodes with a downstream switching transistor (claim 3) and photo transistors, photo field effect transistors or photo thyristors (claims 6 to 8) can be used as photo receivers.

Mit einer Einrichtung gemäss Anspruch 4 können sowohl Analogsignale im nV-Bereich als auch Spannungen bis zu 300 V prellfrei geschaltet werden. Bei dem verwendeten BOSFET (Bidirectional Output Switch-Field Effect-Transistor) handelt es sich um einen bidirektionalen MOSFET, der vergleichbar ist mit zwei antiparallelgeschalteten MOSFET, die Gate und Source gemeinsam haben. With a device according to claim 4, both analog signals in the nV range and voltages up to 300 V can be switched without bounce. The BOSFET (Bidirectional Output Switch-Field Effect-Transistor) used is a bidirectional MOSFET that is comparable to two anti-parallel MOSFETs that have gate and source in common.

Im Gegensatz zum Thyristor, der nicht zum Schalten kleiner Signalpegel geeignet ist, sondern der nur als Wechselstrom-Leistungsschalter einsetzbar ist, können mit dem BOSFET nicht nur Wechselströme, sondern auch Gleichströme beliebiger Polarität geschaltet werden. In contrast to the thyristor, which is not suitable for switching low signal levels, but can only be used as an AC circuit breaker, the BOSFET can be used to switch not only AC currents but also DC currents of any polarity.

Bei einer Einrichtung nach Anspruch 9 wird auf einfache Weise für die Halbleiterschalter eine definierte Schaltschwelle vorgegeben. Die Einrichtung zur Folgeumschaltung wird dadurch gegen Störspannungen unempfindlicher. In a device according to claim 9, a defined switching threshold is easily specified for the semiconductor switch. The device for subsequent switching is thus less sensitive to interference voltages.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen: The invention and further advantageous embodiments are explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing. In it show:

Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung zur Folgeumschaltung, Fig. 2 das Schaltdiagramm der Einrichtung gemäss Fig. 1. 1 shows a basic circuit diagram of an embodiment of the inventive device for sequential switching, FIG. 2 shows the circuit diagram of the device according to FIG. 1.

In Fig. 1 ist mit I ein erstes und mit II ein zweites Schaltelememt bezeichnet. Beide Schaltelemente I, II sind als Halbleiterschalter ausgebildet und umfassen jeweils eine Leuchtdiode D1 bzw. D2 sowie einen Feldeffekt-Transistor T1 bzw. T2. In Fig. 1, I denotes a first and II a second switching element. Both switching elements I, II are designed as semiconductor switches and each comprise a light-emitting diode D1 or D2 and a field-effect transistor T1 or T2.

Die Feldeffekt-Transistoren T1 und T2 sind über einen ihrer beiden Drain-Anschlüsse miteinander verbunden und an einen mit 5 bezeichneten Ausgang geführt. Der andere Drain-Anschluss des Transistors T1 ist an einen Ausgang 7 geführt; der noch freie Drain-Anschluss des Transistors T2 ist an einen Ausgang 6 geschaltet. The field effect transistors T1 and T2 are connected to one another via one of their two drain connections and to an output denoted by 5. The other drain connection of the transistor T1 is led to an output 7; the still free drain connection of transistor T2 is connected to an output 6.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Anwendung bei galvanisch verbundenen Ruhe- und Arbeitsstromkreisen. Anstelle von miteinander galvanisch gekoppelten Schaltstrecken der beiden Halbleiterschalter können diese auch entkoppelt ausgeführt werden, wobei der Umschalter in an sich bekannter Weise durch einen Arbeits- und einen Ruhekontakt dargestellt wird. The invention is not restricted to use in galvanically connected quiescent and working circuits. Instead of galvanically coupled switching paths of the two semiconductor switches, these can also be implemented in a decoupled manner, the changeover switch being represented in a manner known per se by a work contact and a normally closed contact.

Die Leuchtdioden D1 und D2 sind zueinander parallel geschaltet und mit ihren Anoden-Anschlüssen an einen Eingang 1 und mit ihren Kathoden-Anschlüssen an einen Eingang 2 geführt. The light-emitting diodes D1 and D2 are connected in parallel to one another and are led with their anode connections to an input 1 and with their cathode connections to an input 2.

An jeder Leuchtdiode D1, D2 sind zwischen Kathode und Eingang 2 jeweils ein Schmitt-Trigger ST1 bzw. ST2 sowie ein Zeitglied ZG1 bzw. ZG2 in Reihe geschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel schaltet das Zeitglied ZG1 um einen Zeitwert t1 verzögert ein und das Zeitglied ZG2 um einen Zeitwert t2 verzögert aus. Bei dem Zeitglied ZG1 handelt es sich also um ein einschaltverzögertes Zeitglied, wohingegen das Zeitglied ZG2 als ausschaltverzögertes Zeitglied ausgebildet ist. A Schmitt trigger ST1 and ST2 and a timing element ZG1 and ZG2 are connected in series between each cathode and input 2 on each light-emitting diode D1, D2. In the present exemplary embodiment, the timing element ZG1 switches on with a time value t1 and the timing element ZG2 switches off with a time value t2. The timer ZG1 is therefore a delayed switch-on, whereas the timer ZG2 is designed as a delayed switch-off.

Zur Anzeige des Schaltzustandes der Halbleiterschalter I und II kann zwischen der Leuchtdiode D1 und dem Schmitt-Trigger ST1 bzw. zwischen der Leuchtdiode D2 und dem Schmitt-Trigger ST2 jeweils eine Leuchtdiode V1 bzw. V2 geschaltet werden. To display the switching state of the semiconductor switches I and II, a light-emitting diode V1 or V2 can be connected between the light-emitting diode D1 and the Schmitt trigger ST1 or between the light-emitting diode D2 and the Schmitt trigger ST2.

Beim Anlegen eines bestimmten Potentials an die Eingänge 1, 2 des Folgeumschalters erhält man an den Fig. 1 eingezeichneten Messpunkten A bis E das in Fig. 2 dargestellte Schaltdiagramm. When a certain potential is applied to the inputs 1, 2 of the sequential switch, the circuit diagram shown in FIG. 2 is obtained at the measuring points A to E shown in FIG. 1.

Beim Auftreten eines Einschaltimpulses beim Messpunkt A schaltet das einschaltverzögerte Zeitglied ZG1 um einen Zeitwert t1 verzögert durch (Messpunkt B), während das ausschaltverzögerte Zeitglied ZG2 sofort durchschaltet (Messpunkt D). When a switch-on pulse occurs at measuring point A, the delayed timer ZG1 switches through with a time value t1 (measuring point B), while the delayed timer ZG2 switches through immediately (measuring point D).

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

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2 2nd

3 3rd

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4 4th

Der Impuls im Messpunkt C entspricht dem Impuls im Messpunkt B, da es sich bei dem Schmitt-Trigger ST1 um einen nichtinvertierenden Schmitt-Trigger handelt. Beim Schmitt-Trigger ST2 handelt es sich demgegenüber um einen invertierenden Schmitt-Trigger; der im Messpunkt E auftretende Impuls weist deshalb zwar die gleiche Impulsbreite wie der in Messpunkt D auftretende Impuls auf, ist aber diesem gegenüber invertiert. Der im Messpunkt E auftretende Impuls führt zum Durchschalten der Verbindung zwischen den Ausgängen 5 und 6; der Halbleiterschalter II ist also geschlossen. The pulse at measuring point C corresponds to the pulse at measuring point B, since the Schmitt trigger ST1 is a non-inverting Schmitt trigger. In contrast, the Schmitt trigger ST2 is an inverting Schmitt trigger; the pulse occurring at measuring point E therefore has the same pulse width as the pulse occurring at measuring point D, but is inverted in relation to it. The pulse occurring at measuring point E causes the connection between outputs 5 and 6 to be switched through; the semiconductor switch II is therefore closed.

Tritt an den Eingängen 1, 2 nunmehr eine Potentialänderung auf, dann ändert sich beim Messpunkt A und zeitgleich bei den Messpunkten B und C der Impuls. Der im Messpunkt C auftretende Impuls führt zum Durchschalten der Verbindung zwischen den Ausgängen 5 und 7; der Halbleiterschalter I ist also geschlossen. Bei den Messpunkten D und E (invertiertes Signal) ändert sich der Impuls erst um einen Zeitwert t2 verzögert, da das ausschaltverzögerte Zeitglied ZG2 erst zeitverzögert durchschaltet. Da die Zeitwerte t1 und t2 gleich gross gewählt wurden, bleibt die gerade durchgeschaltete Leuchtdiode D2 noch so lange eingeschaltet und damit der Halbleiterschalter II so lange geschlossen bis die andere Leuchtdiode D1 den Feldeffekt-Transistor T1 eingeschaltet hat und damit der Halbleiterschalter I geschlossen ist. If there is now a change in potential at inputs 1, 2, the pulse changes at measuring point A and at the same time at measuring points B and C. The pulse occurring at measuring point C causes the connection between outputs 5 and 7 to be switched through; the semiconductor switch I is therefore closed. At the measuring points D and E (inverted signal), the pulse changes only after a time value t2, since the switch-off delayed time element ZG2 only switches through with a time delay. Since the time values t1 and t2 were chosen to be the same size, the light-emitting diode D2 that has just been switched on remains switched on and the semiconductor switch II is thus closed until the other light-emitting diode D1 has switched on the field-effect transistor T1 and the semiconductor switch I is therefore closed.

Bei einer erneuten Änderung des Einschaltimpulses schaltet das einschaltverzögerte Zeitglied ZG1 erneut um einen Zeitwert t1 verzögert durch (Messpunkte B und C), so dass der geschlossene Halbleiterschalter I erst dann öffnet, wenn der Halbleiterschalter II bereits die Zeit t1 geschlossen ist. Für den weiteren Ablauf der Folgeumschaltung gelten nunmehr wiederum die vorstehenden Ausführungen. When the switch-on pulse is changed again, the delay-on timer ZG1 switches through again with a time value t1 (measuring points B and C), so that the closed semiconductor switch I only opens when the semiconductor switch II has already closed the time t1. The above statements now apply to the further sequence of the subsequent switchover.

In Fig. 1 sind das Zeitglied ZG1 sowie der Schmitt-Trigger ST1 nichtinvertierend ausgebildet. Das Zeitglied ZG1 und der Schmitt-Trigger £T1 können jedoch beide auch invertierend ausgeführt sein. Bei Messpunkt B würde sich dann die Polarität des Schaltzustandes entsprechend ändern. Das Zeitglied ZG1 arbeitet dann ebenso wie das Zeitglied ZG2 ausschaltverzögert. 1, the timing element ZG1 and the Schmitt trigger ST1 are designed to be non-inverting. However, the timing element ZG1 and the Schmitt trigger £ T1 can both also be designed to be inverting. At measuring point B, the polarity of the switching state would change accordingly. The timer ZG1 then works just like the timer ZG2 with a switch-off delay.

Claims

1. Device for sequence switching, in which a first circuit is opened or closed after a second circuit has been closed or opened, characterized in that two semiconductor switches (I, II) are provided, one of which has a delayed start-up element (ZG1 ) and the other can be controlled via a switch-off-delayed timer (ZG2), one timer (ZG1) being connected in parallel to the other timer (ZG2) on the input side.

2. Device according to claim 1, characterized in that the semiconductor switch (I, II) comprises a photocoupler which has at least one light-emitting diode (D1, D2) arranged in the control circuit and a photo receiver (T1, T2) connected in a power circuit. having.

3. Device according to claim 2, characterized in that the photo receiver comprises at least one photodiode through which a switching transistor (T1, T2), in particular a field effect transistor, can be controlled.

4. Device according to claim 3, characterized in that the field effect transistor is designed as a BOSFET (bidirectional output switch field effect transistor).

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the photo receiver comprises a plurality of photodiodes connected in series.

6. Device according to claim 2, characterized in that the photo receiver is designed as a photo transistor.

7. Device according to claim 2, characterized in that the photo receiver is designed as a photo field effect transistor.

8. Device according to claim 2, characterized in that the photo receiver is designed as a photo thyristor.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that a Schmitt trigger (ST1, ST2) is connected between the semiconductor switches (I, II) and the timing elements (ZG1, ZG2).

10. The device according to claim 9, characterized in that operational amplifiers are provided as a Schmitt trigger with appropriate wiring.

11. The device according to claim 2, characterized in that for the identification of the switching state of the semiconductor switch (I, II) to the light-emitting diodes (D1, D2) further light-emitting diodes (V1, V2) are connected in series.

12. The device according to claim 1, characterized in that operational amplifiers with appropriate wiring are provided as timing elements.

5

10th

15

20th

25th

30th

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40

45

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3rd