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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer vierpoligen
Kupplungsvorrichtung.
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Derartige
Kupplungsvorrichtungen haben ein Steckerteil sowie ein Buchsenteil
und sind standardisiert, wie z.B. die sogenannte M12-Kupplung; sie können nach
der europäischen
Norm EN 60947-5-2 zusammen mit einem Messgerät, z.B. einem Näherungsschalter,
oder einem Aktuator benutzt werden. Eine solche allgemeine Vorrichtung
kann beispielsweise der Offenlegungsschrift
DE 42 10 526 A1 entnommen
werden, wobei dort auf eine Hilfseinheit zur galvanischen Trennung
und zum vereinfachten mechanischen Anschluss eingegangen wird. Das
Messgerät
ist meist mit dem Steckerteil zusammengebaut, häufig sogar in dieses integriert
und erzeugt ein Digitalsignal mit einem H-Pegel oder einem L-Pegel.
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Dem
Artikel „Neues
revolutionierendes Messsystem mit intelligenten Steckern", mpa – messen,
prüfen,
automatisieren, Heft Nr. 6, Mai 1995, Seiten 44–48 lässt sich ein Stecker mit einem
integrierten Datenspeicher entnehmen, wobei in dem Datenspeicher
sensorspezifische Daten abgelegt sind. Über diesen Datenspeicher können die
Signale unterschiedlicher Sensoren der Auswertung zugänglich gemacht
werden, da z.B, die dazu erforderlichen Kalibrierdaten im Speicher
abgelegt sind und somit zur Verfügung
stehen.
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Die
Patentschrift
DE 197
19 633 C2 beschreibt eine standardisierte interne Schnittstelle
eines Messwertaufbereitungssystems zwischen einem Sensoranpassmodul
und einem Abgleichmodul. Ein solches Messwertaufbereitungssystem
setzt die Messwerte eines Sensors auf einen Standardmessbereich
um. Über
die Schnittstelle können
unterschiedliche Sensoranpassmodule abgeglichen werden.
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Nach
der oben genannten Norm sind mit zwei der vier Buchsen des Buchsenteils
eine Spannungsquelle, insb. eine Gleichspannungsquelle, und ein
Schaltungsnullpunkt verbunden und werden zum Steckerteil durchverbunden,
wenn diese und das Buchsenteil gekuppelt sind (ein solcher allgemeiner Aufbau
lässt sich
beispielsweise der Offenlegungsschrift
DE 100 15 619 A1 der Anmelderin
entnehmen). Entweder die eine oder die andere der zwei restlichen
Buchsen ist mit einer an die durchverbundene Spannungsquelle zu
legenden Last, die selbst schon am Schaltungsnullpunkt liegt, zu
verbinden.
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Liegt
die Last an der einen Buchse, so wirkt das Messgerät auf die
Last wie ein geschlossener Schalter, wenn der H-Pegel auftritt;
es fließt
somit von der Spannungsquelle aus Strom durch die Last, der bei
Auftreten des L-Pegels unterbrochen wird, da der geschlossene Schalter öffnet. Es
hat sich eingebürgert,
diesen Schaltzustand des Messgeräts
als "Schließer" zu bezeichnen.
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Liegt
die Last dagegen an der anderen Buchse, so wirkt das Messgerät auf die
Last wie ein geöffneter
Schalter, wenn der H-Pegel auftritt; es fließt somit von der Spannungsquelle
aus kein Strom durch die Last, der erst bei Auftreten des L-Pegels
fließt,
da der geöffnete
Schalter schließt.
Es hat sich eingebürgert,
diesen Schaltzustand des Messgeräts
als "Öffner" zu bezeichnen.
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Bisher
ist es üblich,
im Messgerät
für jeden der
beiden Schaltzustände
ein eigenes, den Strom schaltendes Schaltelement vorzusehen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mit einer vierpoligen
Kupplungsvorrichtung versehene Schaltungsanordnung anzugeben, die
für beide
Schaltzustände
aus Platzersparnisgründen
nur ein einziges Schaltelement benötigt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe besteht die Erfindung in einer Schaltungsanordnung
mit einer vierpoligen Kupplungsvorrichtung,
- – von der
ein Steckerteil zu einem Messgerät
mit einem physikalisch-elektrischen Wandler und mit einer Auswerte-Elektronik gehört,
- – die
ein Digitalsignal mit einem H-Pegel und einem L-Pegel abgibt, und
- – von
der ein Buchsenteil dem Durchverbinden einer Spannungsquelle und
eines Schaltungsnullpunkts zum Steckerteil sowie dem Anschalten
einer Last an die durchverbundene Spannungsquelle dient, wobei
- – eine
erste Buchse an der Spannungsquelle angeschlossen ist und einen
zugehörigen
ersten Steckerstift an diese legt,
- – eine
zweite Buchse am Schaltungsnullpunkt angeschlossen ist und einen
zugehörigen
zweiten Steckerstift an diesen legt,
- – eine
dritte Buchse, durch die im Falle daran angeschlossener Last diese über einen
zugehörigen dritten
Steckerstift mit der Spannungsquelle verbunden wird, wenn das Digitalsignal
den H-Pegel führt,
und
- – eine
vierte Buchse, durch die im Falle daran angeschlossener Last diese über einen
zugehörigen vierten
Steckerstift mit der Spannungsquelle verbunden wird, wenn das Digitalsignal
den L-Pegel führt,
und
welche Schaltungsanordnung ferner umfasst: - – ein
Schaltelement, von dem
- – ein
erster Anschluss am ersten Steckerstift liegt und
- – ein
zweiter Anschluss über
eine erste Diode, deren Durchlass-Richtung gleich der Stromfluss-Richtung
in der Last ist, mit dem dritten Steckerstift und über eine
zweite Diode, deren Durchlass-Richtung gleich der Stromfluss-Richtung
in der Last ist, mit dem vierten Steckerstift verbunden ist,
- – einen
Taktgenerator,
- – einen
ersten Schalter, von dem ein Eingang an einem Ausgang des Taktgenerators
liegt,
- – einen
ersten Stromfühler,
von dem
- – ein
Strom-Eingang mit einem Ausgang des ersten Schalters,
- – ein
Strom-Ausgang mit dem dritten Steckerstift und
- – ein
Signal-Ausgang mit einem Set-Eingang eines ersten RS-Flip-Flops
und mit einem ersten Eingang eines ersten Exklusiv-Oder-Gatters
verbunden ist, von dem
- – ein
Ausgang an einem Steuer-Eingang des ersten Schalters und
- – an
einem Steuer-Eingang eines zweiten Schalters liegt,
- – einen
zweiten Stromfühler,
von dem
- – ein
Strom-Eingang mit dem Ausgang des ersten Schalters,
- – ein
Strom-Ausgang mit dem vierten Steckerstift und
- – ein
Signal-Ausgang mit einem Set-Eingang eines zweiten RS-Flip-Flops
und mit einem zweiten Eingang des ersten Exklusiv-Oder-Gatters verbunden
ist,
- - ein erstes Und-Gatter, von dem
- – ein
erster Eingang an einem Q-Ausgang des ersten RS-Flip-Flops und an einem Reset-Eingang
des zweiten RS-Flip-Flops
liegt sowie
- – ein
zweiter Eingang über
einen Inverter mit dem Digitalsignal gespeist ist,
- – ein
zweites Und-Gatter, von dem
- – ein
erster Eingang an einem Q-Ausgang des zweiten RS-Flip-Flops und an einem Reset-Eingang
des ersten RS-Flip-Flops
liegt sowie
- – ein
zweiter Eingang mit dem Digitalsignal gespeist ist, und
- – ein
zweites Exklusiv-Oder-Gatter, von dem
- – ein
erster Eingang mit einem Ausgang des ersten Und-Gatters,
- – ein
zweiter Eingang mit einem Ausgang des zweiten Und-Gatters und
- – ein
Ausgang mit einem Eingang des zweiten Schalters verbunden ist,
- – von
dem ein Ausgang an einem Steuer-Eingang des Schaltelements liegt.
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Nach
einer bevorzugten ersten Ausgestaltung der Erfindung
- – gibt
die Spannungsquelle eine positive Gleichspannung ab,
- – umfasst
der erste Stromfühler
einen ersten PNP-Transistor mit Basis, Emitter und Kollektor, einen
ersten und einen zweiten Widerstand sowie eine dritte Diode und
- – umfasst
der zweite Stromfühler
einen zweiten PNP-Transistor
mit Basis, Emitter und Kollektor, einen dritten und einen vierten
Widerstand sowie eine vierte Diode, wobei
- – der
erste Widerstand zwischen zweitem Steckerstift und Kollektor des
ersten PNP-Transistors,
- – der
zweite Widerstand zwischen Emitter und Basis des ersten PNP-Transistors
und
- – die
Anoden-Kathoden-Strecke der dritten Diode zwischen dessen Basis
und dem dritten Steckerstift liegt sowie
- – der
Emitter der erste Eingang und der Kollektor der Ausgang des ersten
Stromfühlers
ist und wobei
- – der
dritte Widerstand zwischen zweitem Steckerstift und Kollektor des
zweiten PNP-Transistors,
- – der
vierte Widerstand zwischen Emitter und Basis des zweiten PNP-Transistors
und
- – die
Anoden-Kathoden-Strecke der vierten Diode zwischen dessen Basis
und dem vierten Steckerstift liegt sowie
- – der
Emitter der erste Eingang und der Kollektor der Ausgang des zweiten
Stromfühlers
ist.
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Mach
einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung der Erfindung, die auch
bei der ersten Ausgestaltung anwendbar ist, ist der physikalisch-elektrische
Wandler ein Füllstandsensor.
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Mach
einer bevorzugten Ausgestaltung der zweiten Ausgestaltung der Erfindung
weist der Füllstandsensor
eine Schwinggabel auf.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Schaltungsanordnung
auch für
Messgeräte
geeignet ist, bei denen nur ein sehr kleiner Raum zusätzlich zur
Auswerte-Elektronik
vorhanden ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, in
der, teilweise nach Art eines Blockschaltbilds, ein Ausführungsbeispiel
dargestellt ist.
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Die
Schaltungsanordnung der Figur hat eine vierpolige Kupplungsvorrichtung
K, von der ein Steckerteil St zu einem Messgerät mit einem physikalisch-elektrischen
Wandler Ss und mit einer Auswerte-Elektronik E gehört. Diese
gibt an einem Ausgang in Abhängigkeit
von einer gemessenen physikalischen Größe und in üblicher Weise ein Digitalsignal mit
einem H-Pegel und einem L-Pegel ab, der kleiner als der H-Pegel
ist; diese Definition gilt auch für die unten genannten H- und
L-Pegel, d.H. es ist positive Logik vorausgesetzt.
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Die
physikalische Größe ist z.B.
ein Druck, ein Füllstand,
eine Temperatur, ein Durchfluss – also eine pro Zeiteinheit
durch eine gegebene Querschnittsfläche fließende Masse oder ein pro Zeiteinheit
durch eine gegebene Querschnittsfläche fließendes Volumen eines Fluids –, oder
ein pH-Wert etc.
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Ein
Buchsenteil B der Kupplungsvorrichtung K ist auf das Steckerteil
St aufsteckbar; in der Figur sind aus Gründen besserer Übersichtlichkeit Buchsenteil
B und Steckerteil St in nicht-gekuppeltem Zustand neben einander
dargestellt. Die Kupplungsvorrichtung K hat vier Pole, von denen
einer dem Durchverbinden einer Spannungsquelle U und eines Schaltungsnullpunkts
SN zum Steckerteil St sowie dem Anschalten einer Last an die Spannungsquelle
U dient.
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Im
Einzelnen ist eine erste Buchse b1 an der Spannungsquelle U angeschlossen
und legt in gekuppeltem Zustand einen zugehörigen ersten Steckerstift s1
an die Spannungsquelle U; steckerteil-seitig ist die so durchverbundene
Spannungsquelle mit U' bezeichnet.
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Eine
zweite Buchse b2 ist am Schaltungsnullpunkt SN angeschlossen und
legt in gekuppeltem Zustand einen zugehörigen zweiten Steckerstift
s2 an diesen; steckerteilseitig ist der durchverbundene Schaltungsnullpunkt
mit SN' bezeichnet.
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An
eine dritte Buchse b3 ist eine Last L angeschlossen, die in gekuppeltem
Zustand über
einen zugehörigen
dritten Steckerstift s3 an die durchverbundene Spannungsquelle U' gelegt wird, wenn
das Digitalsignal den H-Pegel führt,
wie ausführlich
unten noch erläutert
ist.
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Die
Last L kann auch – anstatt
an die dritte Buchse b3 – an
eine vierte Buchse b4 angeschlossen werden, wie dies gestrichelt
durch eine Last L' angedeutet
ist. In gekuppeltem Zustand wird die Last L' über
einen zugehörigen
vierten Steckerstift s4 an die durchverbundene Spannungsquelle U' gelegt, wenn das
Digitalsignal den L-Pegel führt,
wie ausführlich unten
noch erläutert
ist. Die jeweilige Last L, L' ist
z.B. die Spule eines Relais oder eines Aktuators oder ein Strom-
bzw. Spannungseingang einer speicher-programmierten Steuerung etc.
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Ein
erster Anschluss eines Schaltelements SE liegt am ersten Steckerstift
s1 und somit an der Spannungsquelle U', während
ein zweiter Anschluss des Schaltelements SE über eine erste Diode D1 mit dem
Steckerstift s3 und über
eine zweite Diode D2 mit dem Steckerstift s4 verbunden ist. Die
jeweilige Durchlass-Richtung der Dioden D1, D2 ist gleich der Stromfluss-Richtung
in der Last L bzw. L'.
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Ein
Eingang eines ersten Schalters S1 liegt an einem Ausgang eines Taktgenerators
T, der ein niederfrequentes Rechtecksignal abgibt; bei einer realisierten
Schaltung hatte das Rechtecksignal ein Frequenz von ca. 1 Hz.
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Ein
Strom-Eingang eines ersten Stromfühlers F1 ist mit einem Ausgang
des Schalters S1 und ein Strom-Ausgang mit dem Steckerstift s3 verbunden,
während
ein Signal-Ausgang mit einem Set-Eingang S eines ersten RS-Flip-Flops
FF1 und mit einem ersten Eingang eines ersten Exklusiv-Oder-Gatters
EX1 verbunden ist. Ein Ausgang dieses Gatters liegt an einem Steuer-Eingang
des Schalters S1 und an einem Steuer-Eingang eines zweiten Schalters S2.
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Ein
Strom-Eingang eines zweiten Stromfühlers F2 ist mit dem Ausgang
des Schalters S1 und ein Strom-Ausgang mit dem Steckerstift s4 verbunden, während ein
Signal-Ausgang mit einem Set-Eingang S eines zweiten RS-Flip-Flops
FF2 und mit einem zweiten Eingang des ersten Exklusiv-Oder-Gatters EX1
verbunden ist .
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Die
beiden Stromfühler
F1, F2 sind in allgemeiner Form als gestrichelt gezeichnete Blöcke dargestellt,
deren Innenschaltung eine bevorzugte Ausführungsform dieser Stromfühler ist,
die unten im Einzelnen beschrieben ist.
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Ein
erster Eingang eines ersten Und-Gatters A1 liegt an einem Q-Ausgang
Q des ersten RS-Flip-Flops FF1 und an einem Reset-Eingang R des
zweiten RS-Flip-Flops FF2, während
ein zweiter Eingang des Und-Gatters A1 über einen Inverter IN mit dem
Digitalsignal gespeist ist; ein Eingang des Inverters IN liegt somit
am Ausgang der Auswerte-Elektronik E.
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Ein
erster Eingang eines zweiten Und-Gatters A2 liegt an einem Q-Ausgang
Q des zweiten RS-Flip-Flops FF2 und an einem Reset-Eingang R des
ersten RS-Flip-Flops FF1, während
ein zweiter Eingang des Und-Gatters A2 mit dem Digitalsignal gespeist
ist, also am Ausgang der Auswerte-Elektronik E liegt.
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Ein
erster Eingang eines zweiten Exklusiv-Oder-Gatters EX2 ist mit einem
Ausgang des Und-Gatters A1 und ein zweiter Eingang mit einem Ausgang
des Und-Gatters A2 und ein Ausgang mit einem Eingang des Schalters
52 verbunden, von dem ein Ausgang an einem Steuer-Eingang des Schaltelements
SE liegt.
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Die
bereits erwähnte
bevorzugte Ausführungsform
der beiden Stromfühler
F1, F2 setzt voraus, dass die Spannungsquelle U eine positive Gleichspannung
abgibt. Der Stromfühler
F1 umfasst einen ersten PNP-Transistor T1 mit Basis, Emitter und
Kollektor, einen ersten Widerstand W1, einen zweiten Widerstand
W2 und eine dritte Diode D3.
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Der
Widerstand W1 liegt zwischen dem Steckerstift s2, also dem durchverbundenen
Schaltungsnullpunkt SN',
und dem Kollektor des PNP-Transistors T1. Der Widerstand W2 ist
zwischen Emitter und Basis des PNP-Transistors T1 eingefügt. Die
Anoden-Kathoden-Strecke der Diode D3 liegt zwischen der Basis des
PNP-Transistors T1 und dem Steckerstift s3 und somit in gekuppeltem
Zustand an der Last L. Der Emitter des PNP-Transistors T1 ist der
erste Eingang des Stromfühlers
F1, der Kollektor dessen Ausgang und die Kathode der Diode D3 dessen
zweiter Eingang.
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Der
Stromfühler
F2 umfasst einen zweiten PNP-Transistor T2 mit Basis, Emitter und
Kollektor, einen dritten Widerstand W3, einen vierten Widerstand
W4 und eine vierte Diode D4. Der Widerstand W3 liegt zwischen dem
Steckerstift s2, also dem durchverbundenen Schaltungsnullpunkt SN', und dem Kollektor
des PNP-Transistors T2. Der Widerstand W4 ist zwischen Emitter und
Basis des PNP-Transistors T2 eingefügt. Die Anoden-Kathoden-Strecke
der Diode D4 liegt zwischen der Basis des PNP-Transistors T2 und
dem Steckerstift s4 und somit in gekuppeltem Zustand an der Last
L'. Der Emitter
des PNP-Transistors T2 ist der erste Eingang des Stromfühlers F2,
der Kollektor dessen Ausgang und die Kathode der Diode D4 dessen
zweiter Eingang.
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Die
Schaltungsanordnung der Erfindung hat in gekuppeltem Zustand von
Steckerteil St und Buchsenteil B die folgenden sechs unterschiedlichen Funktionsweisen,
wobei für
das Ausführungsbeispiel der
Figur an einen Füllstandsensors, insb.
mit einer Schwinggabel, als physikalisch-elektrischen Wandler Ss
gedacht ist.
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Für die erste
Funktionsweise ist vorausgesetzt, dass der Schaltungsnullpunkt SN
an die Buchse b2 und Spannungsquelle U an die Buchse b1 angeschlossen
sind, jedoch weder mit der Buchse b3 noch mit der Buchse b4 eine
Last verbunden ist.
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Nach
dem Herstellen des gekuppelten Zustands bzw. nach einem separaten
Einschalten der Spannungsquelle U führt der jeweilige Set-Eingang
S der RS-Flip-Flops FF1, FF2 einen L-Pegel. Da dieser jeweilige
L-Pegel auch an den beiden Eingängen
des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 liegt, führt dessen Ausgang ebenfalls
einen L-Pegel; deshalb ist der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S1 geschlossen,
wie in der Figur zu sehen ist.
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Der
Taktgenerator T liefert das erwähnte Rechtecksignal
zwar über
den Widerstand W2 und die Diode D3 an den Steckerstift s3 und die
Buchse b3 bzw. über
den Widerstand W4 und die Diode D4 an den Steckerstift s4 und die
Buchse b4; da aber keine Last L, L' angeschlossen ist, fließt weder über den
Widerstand W2 und die Diode D3 noch über den Widerstand W4 und die
Diode D4 ein Strom, sodass beide PNP-Transistoren T1, T2 gesperrt sind, d.h.
es fließt
jeweils kein Emitter-Kollektor-Strom und am jeweiligen Kollektor
liegt das Potential des Schaltungsnullpunkt SN', was ein L-Pegel ist. Der erwähnte L-Pegel
am jeweiligen Set-Eingang S der RS-Flip-Flops FF1, FF2 bleibt erhalten
und das Schaltelement SE unabhängig
vom Pegel des Digitalsignals geöffnet;
die Steckerstifte s3, s4 sind spannungsfrei.
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Für die zweite
Funktionsweise ist vorausgesetzt, dass der Schaltungsnullpunkt SN
wieder an die Buchse b2, die Spannungsquelle U wieder an die Buchse
b1, dass nun jedoch die Last L' an
die Buchse b4 angeschlossen sind und dass das Digitalsignal den
L-Pegel aufweist.
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Der
Taktgenerator T liefert wieder das Rechtecksignal über den
Widerstand W2 und die Diode D3 an den Steckerstift s3 und die Buchse
b3 bzw. über den
Widerstand W4 und die Diode D4 an den Steckerstift s4 und die Buchse
b4, an der wie erwähnt die
Last L' angeschlossen.
Es kann daher über
den Widerstand W4 und die Diode D4 ein Rechteckstrom durch die Last
L' zum Schaltungsnullpunkt
SN fließen.
Dieser Strom erzeugt am Widerstand W4 einen Spannungsabfall, der
den PNP-Transistor T2 leitend steuert. Dadurch fließt ein entsprechender
Emitter-Kollektor-Strom; am Kollektor und am Set-Eingang S des RS-Flip-Flops
FF2 entsteht ein H-Pegel, der an dessen Q-Ausgang Q ebenfalls einen
H-Pegel hervorruft.
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Da
mit der Buchse b3 keine Last verbunden ist, funktioniert der Stromfühler F1,
wie es oben in Zusammenhang mit der ersten Funktionsweise beschrieben
ist, sodass der Q-Ausgang des RS-Flip-Flops FF1 seinen L-Pegel beibehält.
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Am
einen Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 liegt der L-Pegel des
Kollektors des PNP-Transistors T1 und am anderen Eingang der H-Pegel
des Kollektors des PNP-Transistors
T2, sodass der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 nun einen H-Pegel annimmt,
der den Schalter 51 öffnet
und den Schalter S2 schließt.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A2 liegt der erwähnte H-Pegel des Q-Ausgangs
Q des RS-Flip-Flops FF2 und am anderen Eingang der L-Pegel des Digitalsignals,
sodass der Ausgang des Und-Gatters A2 einen L-Pegel annimmt.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A1 liegt der erwähnte L-Pegel des Q-Ausgangs
Q des RS-Flip-Flops FF1 und am anderen Eingang der invertierte L-Pegel
des Digitalsignals, also ein H-Pegel, sodass der Ausgang des Und-Gatters
A2 ebenfalls einen L-Pegel annimmt. Somit liegt an den Eingängen des
Exklusiv-Oder-Gatters EX2 jeweils ein L-Pegel, sodass auch der Ausgang
einen L-Pegel führt, der über den
geschlossenen Schalter S2 das Schaltelement SE geöffnet und
den Strompfad von der Spannungsquelle U' über
das Schaltelement SE und die Diode D2 zur Last L' unterbrochen hält: Die Last L' erhält keine
Stromzufuhr.
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Für die dritte
Funktionsweise ist vorausgesetzt, dass die Spannungsquelle U wieder
an die Buchse b1, der Schaltungsnullpunkt SN wieder an die Buchse
b2 und die Last L' wieder
an die Buchse b4 angeschlossen sind, nun jedoch das Digitalsignal den
H-Pegel angenommen hat.
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Der
Taktgenerator T liefert wieder das Rechtecksignal über den
Widerstand W2 und die Diode D3 an den Steckerstift s3 und die Buchse
b3 bzw. über den
Widerstand W4 und die Diode D4 an den Steckerstift s4 und die Buchse
b4, an der wie erwähnt die
Last L' angeschlossen
ist. Es kann daher über den
Widerstand W4 und die Diode D4 ein Rechteckstrom durch die Last
L' zum Schaltungsnullpunkt
SN fließen.
Dieser Strom erzeugt am Widerstand W4 wieder den erwähnten pannungsabfall,
der den PNP-Transistor T2 leitend steuert. Dadurch fließt ein entsprechender
Emitter-Kollektor-Strom; am Kollektor und am Set-Eingang S des RS-Flip-Flops
FF2 entsteht ein H-Pegel, der an dessen Q-Ausgang Q ebenfalls einen
H-Pegel hervorruft.
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Da
mit der Buchse b3 keine Last verbunden ist, funktioniert der Stromfühler F1,
wie oben in Zusammenhang mit der ersten und der zweiten Funktionsweise
beschrieben ist, sodass der Q-Ausgang des RS-Flip-Flops FF1 seinen
L-Pegel beibehält.
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Am
einen Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 liegt der L-Pegel des
Kollektors des PNP-Transistors T1 und am anderen Eingang der H-Pegel
des Kollektors des PNP-Transistors
T2, sodass der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 wieder einen H-Pegel annimmt,
der den Schalter S1 öffnet
und den Schalter S2 schließt.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A2 liegt wieder der erwähnte H-Pegel
des Q-Ausgangs Q des RS-Flip-Flops FF2, am anderen Eingang nun jedoch der
H-Pegel des Digitalsignals, sodass der Ausgang des Und-Gatters A2
einen H-Pegel annimmt.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A1 liegt wieder der erwähnte L-Pegel
des Q-Ausgangs Q des RS-Flip-Flops FF1 und am anderen Eingang der
invertierte H-Pegel des Digitalsignals, also ein L-Pegel, sodass
der Ausgang des Und-Gatters A2 wieder einen L-Pegel annimmt. Somit
liegt am einen Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters EX2 ein L-Pegel
und am anderen Eingang ein H-Pegel, sodass dessen Ausgang nun einen
H-Pegel annimmt. Dieser gelangt über
den geschlossenen Schalter S2 an den Steuer-Eingang des Schaltelements
SE und schließt
es; der erwähnte
Strompfad von der Spannungsquelle U' über
das Schaltelement SE und die Diode D2 zur Last L' wird geschlossen und die Last L' erhält Strom zugeführt.
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Für die vierte
Funktionsweise ist vorausgesetzt, dass die Spannungsquelle U wieder
an die Buchse b1 und der Schaltungsnullpunkt SN wieder an die Buchse
b2, dass nun jedoch die Last L an die Buchse b3 angeschlossen sind
und dass das Digitalsignal den L-Pegel hat.
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Der
Taktgenerator T liefert das Rechtecksignal wieder über den
Widerstand W4 und die Diode D4 an den Steckerstift s4 und die Buchse
b4 bzw. über
den Widerstand W2 und die Diode D3 an den Steckerstift s3 und die
Buchse b3, an der wie erwähnt nun
die Last L angeschlossen ist. Es kann daher über den Widerstand W2 und die
Diode D3 ein Rechteckstrom durch die Last L zum Schaltungsnullpunkt
SN fließen.
Dieser Strom erzeugt am Widerstand W2 einen Spannungsabfall, der
den PNP-Transistor T1 leitend steuert. Dadurch fließt ein entsprechender
Emitter-Kollektor-Strom; am Kollektor und am Set-Eingang S des RS-Flip-Flops
FF1 entsteht ein H-Pegel, der an dessen Q-Ausgang Q ebenfalls einen
H-Pegel hervorruft.
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Da
nun mit der Buchse b4 keine Last verbunden ist, funktioniert der
Stromfühler
F2, wie oben in Zusammenhang mit der ersten Funktionsweise beschrieben
ist, sodass der Q-Ausgang des RS-Flip-Flops FF1 einen L-Pegel aufweist.
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Am
einen Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 liegt der L-Pegel des
Kollektors des PNP-Transistors T2 und am anderen Eingang der H-Pegel
des Kollektors des PNP-Transistors
T1, sodass der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 wieder einen H-Pegel annimmt,
der den Schalter S1 öffnet
und den Schalter S2 schließt.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A2 liegt wieder der erwähnte L-Pegel
des Q-Ausgangs Q des RS-Flip-Flops FF2 und am anderen Eingang der L-Pegel
des Digitalsignals, sodass der Ausgang des Und-Gatters A2 einen
L-Pegel annimmt.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A1 liegt der erwähnte H-Pegel des Q-Ausgangs
Q des RS-Flip-Flops FF1 und am anderen Eingang der invertierte L-Pegel
des Digitalsignals, also ein H-Pegel, sodass der Ausgang des Und-Gatters
A1 einen H-Pegel annimmt. Somit liegt am einen Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters
EX2 ein H-Pegel und am anderen Eingang ein L-Pegel, sodass auch
dessen Ausgang einen H-Pegel führt,
der das Schaltelement SE über
den bereits geschlossenen Schalter S2 schließt; nun wird der Strompfad
von der Spannungsquelle U' über das
Schaltelement SE und die Diode D1 zur Last L geschlossen und die
Last L erhält Strom
zugeführt.
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Für die fünfte Funktionsweise
ist vorausgesetzt, dass die Spannungsquelle U wieder an die Buchse
b1, der Schaltungsnullpunkt SN wieder an die Buchse b2 und die Last
L wieder an die Buchse b3 angeschlossen sind, dass nun jedoch das
Digitalsignal den H-Pegel annimmt.
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Der
Taktgenerator T liefert das Rechtecksignal wieder über den
Widerstand W4 und die Diode D4 an den Steckerstift s4 und die Buchse
b4 bzw. über
den Widerstand W2 und die Diode D3 an den Steckerstift s3 und die
Buchse b3, an der die Last L angeschlossen ist. Es kann daher über den
Widerstand W2 und die Diode D3 wieder der Rechteckstrom durch die
Last L zum Schaltungsnullpunkt SN fließen. Dieser Strom erzeugt am
Widerstand W2 wieder den erwähnten
Spannungsabfall, der den PNP-Transistor T1 leitend steuert. Dadurch
fließt
ein entsprechender Emitter-Kollektor-Strom; am Kollektor und am
Set-Eingang S des RS-Flip-Flops FF1 entsteht wieder ein H-Pegel,
der an dessen Q-Ausgang Q ebenfalls einen H-Pegel hervorruft.
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Da
nun mit der Buchse b4 keine Last verbunden ist, funktioniert der
Stromfühler
F2, wie oben in Zusammenhang mit der ersten Funktionsweise beschrieben
ist, sodass der Q-Ausgang des RS-Flip-Flops FF1 einen L-Pegel aufweist.
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Am
einen Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 liegt der L-Pegel des
Kollektors des PNP-Transistors T2 und am anderen Eingang der H-Pegel
des Kollektors des PNP-Transistors
T1, sodass der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 wieder einen H-Pegel annimmt,
der den Schalter S1 öffnet
und den Schalter S2 schließt.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A2 liegt der erwähnte L-Pegel des Q-Ausgangs
Q des RS-Flip-Flops FF2, am anderen Eingang wieder der H-Pegel des
Digitalsignals, sodass der Ausgang des Und-Gatters A2 den bei der
vierten Funktionsweise vorhandenen L-Pegel beibehält.
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Am
einen Eingang des Und-Gatters A1 liegt der erwähnte H-Pegel des Q-Ausgangs
Q des RS-Flip-Flops FF1 und am anderen Eingang der invertierte H-Pegel
des Digitalsignals, also ein L-Pegel, sodass der Ausgang des Und-Gatters
A1 einen L-Pegel annimmt. Somit liegt an beiden Eingängen des Exklusiv-Oder-Gatters
EX2 ein L-Pegel, sodass dessen Ausgang nun einen L-Pegel annimmt,
der über den
geschlossenen Schalter S2 und den Steuer-Eingang des Schaltelements
SE dieses öffnet
und den Strompfad von der Spannungsquelle U' über
das Schaltelement SE und die Diode D2 zur Last L' unterbricht Die Last L erhält keine
Stromzufuhr mehr.
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Für die sechste
Funktionsweise ist vorausgesetzt, dass der Schaltungsnullpunkt SN
wieder an die Buchse b2 und die Spannungsquelle U wieder an die
Buchse b1 angeschlossen sind, jedoch sowohl mit jeder Buchse b3
die last L als auch mit der Buchse b4 die Last L' verbunden ist. Dies ist eindeutig eine Fehlverdrahtung,
die die Schaltungsanordnung nicht zulassen darf, d.h. sie darf an
keine der beiden Lasten L, L' Strom
liefern.
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Nach
dem Herstellen des gekuppelten Zustands bzw. nach einem separaten
Einschalten der Spannungsquelle U führt der jeweilige Set-Eingang
S der RS-Flip-Flops FF1, FF2 einen L-Pegel. Da dieser jeweilige
L-Pegel auch an den beiden Eingängen
des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 liegt, führt dessen Ausgang ebenfalls
einen L-Pegel; deshalb ist der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S1 geschlossen,
wie in der Figur zu sehen ist.
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Der
Taktgenerator T liefert das erwähnte Rechtecksignal
zwar über
den Widerstand W2 und die Diode D3 an den Steckerstift s3 und die
Buchse b3 bzw. über
den Widerstand W4 und die Diode D4 an den Steckerstift s4 und die
Buchse b4; da aber nun die Lasten L, L' angeschlossen sind, kann sowohl über den
Widerstand W2 und die Diode D3 als auch über den Widerstand W4 und die
Diode D4 der Rechteckstrom durch die Lasten L, L' zum Schaltungsnullpunkt SN fließen.
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Dieser
jeweilige Strom erzeugt am Widerstand W2 und am Widerstand W4 den
erwähnten
jeweiligen Spannungsabfall, der den PNP-Transistor T1 und den Transistor
T2 leitend steuert. Dadurch fließt ein jeweiliger entsprechender
Emitter-Kollektor-Strom; am jeweiligen Kollektor und an den beiden Eingängen des
Exklusiv-Oder-Gatters EX1 liegt jeweils ein H-Pegel. Diese H-Pegel
ergeben am Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 einen L-Pegel, der
den Schalter S2 und somit das Schaltelement SE geöffnet hält, sodass
die Steckerstifte s3, s4 spannungsfrei sind. In den Lasten L, L' kann von der durchgeschalteten
Spannungsquelle U' aus
kein Strom fließen,
wie dies oben vorausgesetzt worden ist.
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Das
eben erläuterte
Verhalten des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 dominiert das jeweilige
Verhalten der RS-Flip-Flops FF1, FF2 und das Verhalten der diesen
RS-Flip-Flops nachgeordneten Teilschaltungen. Dasjenige RS-Flip-Flop,
das schneller auf den H-Pegel reagiert, verriegelt das andere über dessen
Reset-Eingang, sodass der später
als der eben genannte H-Pegel an dessen Set-Eingang eintreffende
H-Pegel nicht mehr wirksam werden kann.
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Der
Taktgenerator T ist in der Figur freilaufend dargestellt und vorausgesetzt.
Der Taktgenerator T kann auch, wie durch die gestrichelt gezeichnete
Verbindung mit dem Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters EX1 veranschaulicht
ist, durch dessen H-Pegel abgeschaltet werden. Der Taktgenerator T
ist dann nur während
einer "Prüfphase" aktiv, während der
das Vorhandensein der Lasten L, L' festgestellt wird.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, anstatt der PNP-Transistoren andere geeignete Komponenten
gleicher Funktion zu verwenden, insb. Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren.
Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, die Funktionen der Teilschaltungen
A1, A2, EX1, EX2, FF1, FF2, IN, SE, S1 und S2 mindestens teilweise
durch einen entsprechend programmierten Mikroprozessor zu realisieren.
Auch kann die Schaltungsanordnung vom Fachmann leicht so abgeändert werden,
dass mit negativer Logik die erwähnten
sechs Funktionsweisen realisiert werden.