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Kontaktlose Schaltungsanordnung für die Realisierung elektronischer fehlersicherer Signal-und Verschlussfunktionen
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soll in diesen zum Stand der Technik gehörenden Schaltungen nicht näher eingegangen werden, da ihre
Funktion hinreichend bekannt ist.
Nachteilig ist, dass mit einer derartigen Schaltung nur die logische Konjunktion und eine Verstärkerallordnung fehlersicher geschaltet werden kann. Weiterhin wird für jede konjunktiv zu verknüpfende
Eingangsvariable ein verstärkendes Halbleiterbauelement benötigt, was einen erheblichen Mehraufwand gegenüber bekannten Verknüpfungsschaltungen der Dioden-Transistor-Logik bedingt. Als Hauptnachteil dieser Anordnung ist aber zu werten, dass in ihr keine Möglichkeiten für die Realisierung der Negation vorgesehen ist.
Die Gestaltung einer fehlersicheren Negation stösst allerdings auf Schwierigkeiten, weil zwar das Eingangssignal an der Negationsschaltung invertiert wird, die Definition des gefährlich fehlerhaften Zustandes aber innerhalb einer Anlage in den meisten Fällen nicht ebenfalls "invertiert" werden darf.
Es ergibt sich daraus als Aufgabenstellung die Schaffung einer Schaltung für logische Verknüpfungen die a) fehlersicher ist, d. h. bei inneren Defekten stets ein definiertes Signal, vorzugsweise das Signal 0 abgeben soll, b) universell anwendbar ist zum Aufbau aller kombinatorischen Verknüpfungsfunktionen c) weniger als ein aktives Bauelement pro Eingangsvariable enthält d) die Erweiterung der logischen Kombination von zwei auf n Eingangsvariable in einfacher Form gestattet.
Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass an zwei Elektroden eines Halbleiterbauelementes jeweils ein Eingangssignal angelegt und die dritte Elektrode des Halbleiterbauelementes mit einem im Rhythmus einer Taktfrequenz impulsmodulierten weiteren Signal beaufschlagt ist.
Gemäss weiterer Ausbildung der Erfindung wird der Taktimpulszug am Ausgang einer Grundschaltung als Informationsträger des L*-Signals für die Eingänge weiterer Verknüpfungen verwendet, wobei die Eingangswiderstände für die Zuführung der Eingangssignale sowie die Spannungsteiler für die Zuführung der Taktimpulse so bemessen und angeordnet sind, dass das Taktsignal beim Durchlauf durch eine Reihenanordnung mehrerer Grundschaltungen einer starken Dämpfung unterworfen ist und infolgedessen bei beliebigen Defekten eines Verstärkerelementes nicht zum Aussteuern des nächsten Folgegliedes ausreicht. Auch sind die Basen der verstärkenden Halbleiterbauelemente z. B. der Transistoren vorzugsweise mittels nichtlinearer Bauelemente, die in den Basiskreis und/oder in den Emitterkreis des verstärkenden Halbleiterbauelementes geschaltet sind, vorgespannt.
Weiterhin ist für die fehlersichere Sperrfunktion bei der Erweiterung der logischen Verknüpfungsfähigkeit eine Einschaltung einfacher Widerstands- oder Diodenentkopplungselemente in die Ausgänge derKonjunktionselemente bei der Zusammenschaltung der entkoppelten Ausgänge zur disjunktiven Normalform konjunktiv verknüpfter Einzelterme vorgesehen.
Schliesslich werden zur Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit der fehlersicheren Gesamtschaltung, bestehend aus einem Verknüpfungsteil und einem Ausgabeteil, die Ausgangssignale durch einen Übertrager in Gegentaktschaltung ausgekoppelt. Dabei sind die beiden primären Wicklungshälften durch zueinander um 1800 phasenverschobene Impulszüge beaufschlagt und jede Wicklungshälfte wird so erregt, dass das dabei entstehende Ausgangssignal in der Sekundärwicklung des Übertragers ausreicht, um bei gefordertem L-Signal ein nachfolgendes Stellglied zu betätigen, auch wenn infolge eines Defektes in einer der Wicklungshälften oder in einem der vorgeordneten Verstärkerteile die betreffende Wicklungshälfte keinen Anteil an der Wechselmagnetisierung des Übertragers hat.
Hauptvorteil dieser Anordnung ist die Möglichkeit, Kombinationsschaltungen für die Verarbeitung von negierten und unnegierten Eingangsvariablen fehlersicher aufbauen zu können.
Berücksichtigt man weiterhin, dass eine fehlersichere Entkopplung der Ausgänge mehrerer Sperrfunktionen im Sinne der logischen Disjunktion unproblematisch durch Dioden erreichbar ist, sofern alle beteiligten Grundschaltungen mit der gleichen Taktfrequenz gespeist werden und alle parallelen zu entkoppelnden Grundschaltungsreihen entweder jeweils geradzahlige oder jeweils ungeradzahlige Anzahlen von Halbleiterbauelementen mit Verstärkerwirkung, beispielsweise Transistoren, enthalten, so sind alle disjunktiven Normalformen einschliesslich der disjunktiven Grenzfunktionen aus der fehlersicheren Grundfunktion zu entwickeln. Damit ist der gesamte Bereich logischer Kombinationsschaltungen für eine fehlersichere Ausführung erschlossen.
Zur Erläuterung der Erfindung stellen dar : Fig. 4 das Grundschaltungselement"Sperrfunktion"Fig. S das Zusammenschalten mehrerer Grundschaltungselemente für eine erweiterte" Sperrfunktion" Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Realisierung der disjunktiven Normalform.
Die Zusammenschaltung mehrerer Sperrfunktionen zu einer Konjunktion der Eingänge S, S, S, S, S, S ist aus der Fig. 5 zu entnehmen.
In Fig. 6 ist die Realisierung der disjunktiven Normalform y = (S & SJ V (S. & S2) - bekannt unter
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der Bezeichnung Antivalenz - einschliesslich des Ausgabeteiles dargestellt, der ein Stellglied beaufschlagt.
Die Wirkungsweise der logischen Grundeinheit"Sperrfunktion"ist aus der Fig. 4 sofort verständlich : über den Basiswiderstand 5 der Grundschaltung 22 wird dem Transistor 7 ein Taktsignal xT zugeführt. Dieses Signal kann nur dann den Transistor ansteuern, wenn seinen andern Elektroden bestimmte Potentiale zugeordnet sind, die gleichzeitig die Eingangssignale vorgeordneter Signalgeber mit den Kontakten 9. 11 und den Innenwiderstanden 8,10 darstellen.
Liegt z. B. am Eingang S1 und am Kollektorwiderstand 6 ein Eingangssignal-u, so nimmt das Ausgangssignal Y* an A eine Spannung an, die durch das Teilerverhältnis der Reihenschaltung des vorgeordneten Signalgeber-Innenwiderstandes 8 mit dem Kollektorwiderstand 6 und dem Belastungswiderstand 12 festgelegt ist und bestehen bleibt, so lange über den vorgeordneten Innenwiderstand 10 und über Diode 13 ein von 0 abweichendes Signal, z. B. ein L-Signal, vorhanden ist.
Dieser Zustand bleibt auch dann erhalten, wenn z. B. die Emitterleitung des Transistors 7 unterbrochen wird oder die Diode 13 zerstört (unterbrochen oder kurzgeschlossen) ist. Der Taktimpuls xT wird nicht auf den Ausgang A übertragen. Diese Verhältnisse entsprechen in der Schaltfolgetabelle 4a bzw. im Signalzuordnungsdiagramm 4b dem Zeitintervall t1 < t < t.
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in der Schaltfolgetabelle 4a bzw. im Schaltfolgediagramm 4b. Tritt hiebei eine Unterbrechung der Emitter-Basis-oder Kollektorstrecke des Transistors 7 oder ein Kurzschluss zwischen diesen Strekken auf, so kann am Ausgang A nicht mehr der Impulszug y* = y (t) erscheinen, sondern näherungsweise nur ein Dauersignal OV oder ein Dauersignal-u < uv.
Das entspricht dem statischen Ausgangssignal y = 0 oder y = L, der als dynamisches L- Signal definierte Impulszug kann nicht auftreten, d. h. y* = O.
Die letztmögliche Kombination der Eingangssignale wäre gemäss Schaltfolgetabelle 4a im Zeitintervall ts < t das Vorhandensein des Potentials OV an beiden Eingängen S, was bei geschlossenen Eingangskontakten 9 und 11 auftritt. Dann erscheint am Ausgang A das Dauerpotential 0V. Bei beliebigen Defekten im Transistor 7 kann dieser Schaltzustand nicht in das Potential-u < Uv übergehen, es kann auch keine verarbeitbare Impulsfolge y (t) auftreten, da die Verstärkerwirkung des Transistors 7 in diesem Fall verschwindet.
Wie dieser Darstellung entnehmbar und auch aus der Schaltfolgetabelle 4a und dem Schaltfolgediagramm 4b erkennbar ist, besteht zwischen den Signalen der Eingänge S S und dem Auftreten des Impulszuges y (t) am Ausgang der Schaltung ein logistischer Zusammenhang. Die Spalten für die Eingänge S1'S2 und die Spalte für das dynamische Ausgangssignal y in der Schaltfolgetabelle 4a stellen nichts anderes als die Wahrheitstafel der konjunktiven Verknüpfung
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dar, die in der Terminologie der Schaltalgebra auch als"Sperrfunktion"bezeichnet wird.
Diese Sperrfunktion wird durch die beschriebene Anordnung"fehlersicher"realisiert, denn auch bei Defekten im verstärkenden Halbleiterbauelement tritt am Ausgang der Grundschaltung kein zur Weiterverarbeitung als L-Signal geeigneter Impulszug auf.
Die Weiterverarbeitung des L*-Signals, das gegenüber den normalen statischen L-Signalen der Eingänge ein Impulszug ist, kann auf zwei Arten, wie in Fig. 5 dargestellt, geschehen :
1. Das S*-Signal wird auf den Takteingang einer zweiten Grundschaltung gegeben, die im Prinzip mit der ersten Grundschaltung übereinstimmt und der weitere Signale an den Eingangen S, S zuge-
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führt werden. Dann wird durch diese Zusammenschaltung die Schaltfunktion Y* = S & S & Sg & S verwirklicht.
2. Durch Hinzunahme einer dritten Grundschaltung, der wieder das Ausgangssignal der zweiten Grundschaltung als Taktsignal zugeführt wird und durch die Beaufschlagung mit zusätzlichen Signalen an den Eingängen S,S, lässt sich die Schaltfunktion um zwei weitere Eingangsvariablen zu y* = S & S & S & S. & S & S, erweitern.
Um nun bei derartigen Erweiterungen der Grundfunktion die Eigenschaft der Fehlersicherheit aufrecht erhalten zu können, muss sichergestellt werden, dass beim Verschwinden der Verstärkerwirkung in einer Stufe, z. B. infolge eines Kurzschlusses des entsprechenden verstärkenden Halbleiterbauelementes, auch dann kein zum Aussteuern der Folgestufen ausreichendes Impulssignal auftreten kann, wenn gleichzeitig eines der passiven Bauelemente, z. B. einer der Kollektorwiderstände, einen Defekt aufweist. Besonders kritisch wäre der Fall einer Widerstandserhöhung dieses Bauelementes bis zum Wert oo.
Ohne spezielle Abhilfsmassnahmen könnte bei Kurzschluss des Transistors 19 in Fig. 5 und gleichzeitiger Unterbrechung des Kollektorwiderstandes 18 der Taktimpuls über den Widerstand 14 an die Basis des Transistors 20 gelangen, würde von diesem verstärkt werden, wenn die Signale an den
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verwirklicht.
Dem kann man begegnen, indem man die Basen der Transistoren 19,20, 21 durch Schaltelemente vorspannt.
Im einfachsten Fall können hiefür lineare Widerstände verwendet werden, wie das in ähnlicher Weise schon seit längerer Zeit zur Temperaturstabilisierung von Ge-Transistoren, die im Schaltbetrieb arbeiten, praktiziert wird. Im vorliegenden Fall, der die Temperaturkompensation gegebenenfalls mit einzuschliessen gestattet, besteht das Ziel jedoch in der Potentialbegrenzung derart, dass die Taktimpulse nach dem Passieren der Widerstände 14 in ihrer Amplitude soweit gedämpft werden, dass auch bei Kurzschluss der Basis-Kollektorstrecke eines Transistors ein nachfolgendes Verstärkerglied nicht mehr ausgesteuert werden kann.
Demgemäss unterscheidet sich die Bemessung der Spannungsteiler, gebildet entweder durch die Widerstände 14 - 15 ; 14 - 16 bzw. 14 - 17 grundsätzlich von den Spannungsteilern der Schalttransistoren z. B. in Transistornegatoren üblicher Logiksysteme.
Eine andere Variante für eine geeignete Signaldämpfung besteht darin, als Schaltelemente Widerstände mit nichtlinearer Charakteristik, z. B. Dioden oder Ze-Dioden, zu verwenden, was besonders bei Anwendung von Transistoren in Si-Planartechnik auch aus Gründen der Sperrspannungsbegrenzung für die Basis-Emitterstrecke empfehlenswert ist. Welche dieser möglichen Lösungen gewählt wird, hängt hauptsächlich vom Typ des verwendeten verstärkenden Halbleiter-Bauelementes ab.
Neben der Erweiterung der Konjunktion auf eine grössere Anzahl von Eingangsvariablen ist auch die disjunktive Verknüpfung von Konjunktionen - bezeichnet als disjunktiveNormalform-interessant. Zum Beispiel möge etwa die Verwirklichung der Antivalenzschaltung gefordert werden :
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Diese Darstellung entspricht einer disjunktiven Normalform und zu ihrer Realisierung werden ausser den Konjunktionselementen auch noch Elemente benötigt, die eine fehlersichere disjunktive Verknüpfung konjunktiv verbundener Teilfunktionen vorzunehmen gestatten.
Hiefür werden einfache Entkopplungsknoten in Form von Widerständen oder Dioden verwendet, wie in Fig. 6, was aber nur dann möglich ist, wenn die Konjunktionselemente fehlersicher ausgeführt sind und wenn die disjunktiv zu verknüpfenden Konjunktionen jeweils nur geradzahlige oder jeweils nurungeradzahligeAnzahlen verstärkender Bauelemente enthalten.
Das Verhalten der disjunktiven Verknüpfungsfunktion im Fehlerfall ist leicht überschaubar : Bei Unterbrechung einer der Entkopplungselemente 27,28 im Verknüpfungsteil 25 der Fig. 6 wird der betroffene Konjunktionsterm nicht in der disjunktiven Normalform auftreten und nicht zum Ausgangsteil 26 gelangen. Das kann nur zu einem fehlerhaften 0-Signal, das ja zulässig ist, nie aber zu einem fehlerhaften L-Signal führen. Weist eines der Entkopplungselemente 27,28 einen Kurzschluss auf. so wird auch dadurch nur das Auftreten fehlerhafter 0-Signale verursacht werden, fehlerhafte L-Signale können sich nicht ausbilden.
Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte lassen sich also konjunktive Verknüpfungen mit einer grösseren Anzahl von negierten Eingangsvariablen aufbauen, weiterhin kann man die konjunktiven Teil-
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funktionen dijunktiv durch einfache Entkopplungsglieder fehlersicher verknüpfen. Es besteht somit die
Möglichkeit, alle in Kombinationsschaltungen erforderlichen Verknüpfungen durch die disjunktive Nor- malform zu verwirklichen, wobei, wenn die Konjunktionsbedingungen gemäss der Schaltfunktion erfüllt sind, sich als Ausgangssignal Y der Impulszug y (t) ergibt.
Für die weitere fehlersichere Verarbeitung des Impulszuges y (t) wird ein Kopplungselement ver- wendet, das für L- oder 0- Dauersignale undurchlässig ist, Impulssignale aber überträgt. Hiefür werden
Blindschaltelemente vorgesehen. Denkbar ist die bekannte Gleichspannungsentkopplung der Impulse durch eineKondensator-Reihenredundanzschaltung zwecks Erhöhung der Sicherheit. Das hat allerdings nur dann praktische Bedeutung, wenn die entkoppelten Signale nicht nennenswert belastet werden.
EineAnwendungsmöglichkeit kann z. B. die neuerliche Aussteuerung von fehlersicheren Logikgrund- schaltungen sein. Werden grössere Leistungen zur Steuerung von Stellgliedern, Relais und Schütze be- nötigt, so benutzt man zweckmässiger Weise die bekannte Gleichstromentkopplung durch Übertrager wie in Fig. 6, gegebenenfalls mit Zwischenschaltung eines Verstärkers 29,30, 31 dargestellt. Solange dieser Verstärker vor dem Entkopplungsübertrager mit der Primärwicklung 32, 33 und der Sekundär- wicklung 34 angeordnet ist, wird er in die fehlersichere Konzeption des Systems mit einbezogen, d. h. in seinem Inneren auftretende Defekte werden niemals zur fehlerhaften Abgabe eines L-Signals führen können.
An der Sekundärwicklung 34 des Übertragers ist eine Gleichrichteranordnung 35, gegebenen- mit nachgeschalteter Glättungseinrichtung 37 angeschlossen, durch die ein L-Impulssignal wieder in ein statisches L-Signal verwandelt wird. Dieses betätigt das nachgeordnete Stellglied 36.
Da die in Ausgangsverstärkern verwendeten Transistoren durch höhere Spannungen und speziell durch
Schaltüberspannungen stärker gefährdet sind, als Elemente des Logik-Systems, ist die mittlere Zeit des störungsfreien Betriebes dieser Transistoren entsprechend geringer. Nun führt der Defekt eines der- artigen Transistors aus schon geschilderten Gründen zwar nicht zum fehlerhaften Auftreten der gefähr- lichen L-Signale, es können aber, wie schon dargestellt, ungefährliche 0-Signale fehlerhaft auftreten, was unter Umständen die Stillsetzung der Anlage bewirkt, sofern nicht besondere Massnahmen ergriffen werden.
Es ist eine Minderung der Häufigkeit fehlerhafter 0-Signale und damit eine Verlängerung der mitt- leren Betriebszeit zwischen zwei Störungen in der Verstärkereinheit möglich, wenn der Übertrager im Gegentaktbetrieb arbeitet. Hiezu wird gemäss Fig. 6 die Primärwicklung 32,33 des Entkopplungs- übertragers mit einer Mittelanzapfung versehen und jede Wicklungshälfte über einen Verstärker 30 bzw. 31 durch Impulszüge beaufschlagt, wobei der eine Impulszug aus der Negation des andern Impulszuges abgeleitet ist und jede Wicklungshälfte so erregt wird, dass das dabei entstehende Ausgangssignal auf der Sekundärseite des Entkopplungsübertragers ausreicht, das nachfolgende Stellglied 36 zu betätigen, auch wenn eine Wicklungshälfte der Primärwicklung 32,33 infolge eines Defektes der Wicklung selbst oder des vorgeordneten Verstärkers 30 bzw.
31 keinen Anteil für die Wechselmagnetisierung des Entkopplungsübertragers liefert.
Praktisch werden hiedurch die allgemeine Betriebszuverlässigkeit und damit die Anwendungseigenschaften des Erfindungsgegenstandes beträchtlich verbessert, indem an der erfahrungsgemäss störanfälligsten Stelle des fehlersicheren Gesamtkomplexes Logikteil-Ausgabeteil eine begrenzte Anzahl" hei- sser"Redundanzelemente (im vorliegenden Fall Verstärkertransistor und Primär-Wicklungsteil des Übertragers) angewendet werden.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Anwendbarkeit der dargestellten Grundschaltung nicht auf die Bereiche des Eisenbahnwesens und der Reaktortechnik beschränkt bleiben muss. In der industriellen Steuerungstechnik, speziell auf den Sektoren der Grundstoffindustrie, wo ebenfalls Menschenleben beim Versagen von Steuerungseinrichtungen gefährdet werden oder wo infolge falscher Ausgangssignale grosse materielle Schäden entstehen, bieten sich ebenfalls eine Vielzahl gerechtfertigter Anwendungsbeispiele fehlersicherer logischer Grundschaltungen.
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