DE1524897A1

DE1524897A1 - Schaltung zum Durchschalten und Speichern eines zyklisch auftretenden elektrischen Signals

Info

Publication number: DE1524897A1
Application number: DE19671524897
Authority: DE
Inventors: Steele Charles John; Beck John William
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-12-27
Filing date: 1967-12-27
Publication date: 1970-10-22
Also published as: GB1139787A; DE1524897B2; US3463993A; FR1543782A

Description

Schaltung zum Durchschalten und Speichern eines zyklisch auftretenden elektrischen Signals.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Durchschalten eines zyklisch auftretenden elektrischen Signales und zum Speichern einer dem durchgeschalteten Signal entsprechenden elektrischen Ladung.

Bei der Prozeß steuerung mittels einer Rechenanlage werden Spannungen verwendet, um bestimmte Wandler zu betätigen. Oft ist es erforderlich, solche Spannungen sehr rasch zu erzeugen, sie in mehreren Ladungs speichern zu speichern und dann die Speicherelemente wahlweise zu entladen, wenn die

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Spannungen benötigt werden. Die moderne Prozeß-Steuerung erfolgt im allgemeinen mittels einer digitalen Rechenanlage, um die Spannungen zu bilden und um ihre im Multiplexverfahren erfolgende Übertragung auf die Ladungsspeicherelemente zu steuern. Das Multiplexverfahren erfordert Schaltkreise. Außerdem wird die Rechenanlage dazu verwendet, das Spannungssignal zyklisch zu regenerieren, um eine verhältnismäßig konstante Ladung in den Ladungs speichern zu gewährleisten.

Um die digitale Rechenanlage wirksam auszunützen, sollten die Schaltkreise möglichst schnell sowie verläßlich arbeiten. Außerdem müssen sie verhindern, daß die gespeicherteiLadungen während eines möglichen Ausfalls der Rechenanlage abfließen. Eine große Anzahl von Ladungen werden häufig in getrennten Ladungs spei ehern gespeichert, und jede Ladung spielt eine Rolle beim Steuern des Prozesses. Wenn die Ladungen in der Ζβζξ während der die Rechenanlage nicht betriebsbereit ist abfließen, so kann das ernste Folgen für die Steuerung des Prozesses haben. Wenn beispielsweise eine Reihe von Wandlern, welche verschiedene Drücke und Temperaturen steuern, ausfallen, so könnte die Sicherheit gefährdet sein oder ein finanzieller Verlust für den Unternehmer entstehen. Das Problem, dem sich der Stand der Technik gegenüber sah, bestand darin, daß kein einziger Schalter sowohl die erforderliche Schaltgeschwindigkeit als auch eine langanhaltende Ladungsisolierung aufwies.

Ein Festkörperschaltkreis allein besitzt zwar eine hohe Schaltgeschwindigkeit, Docket 18 346

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gewährleistet jedoch nicht die notwendige Isolation der Ladung, wenn die Rechenanlage versagen sollte. Ein elektromechanischer Schalter stellt die notwendige Isolierung der Ladung während eines Ausfalls der Rechenanlage sicher, aber seine Schaltgeschwindigkeit ist niedriger als die eines Festkörper-Schaltkreises. Außerdem ist seine Lebensdauer geringer. Daher arbeitet keiner der beiden Schalter allein völlig zufriedenstellend.

Bekannte Lösungen dieses Problems sind im allgemeinen kompliziert und teuer oder in anderer Hinsicht unbefriedigend. Sie enthalten z. B. eine Widerstands -Kettenbruchschaltung zusammen mit Schaltdioden. Diese Lösung ist teuer wegen der Präzis ions-Widerstände, die für die Kettenbruchschaltung erforderlich sind. Außerdem ist diese Anordnung schwierig herzustellen. Dies gilt allgemein für die unbefriedigenden Lösungen nach dem Stand der Technik.

Die Schaltung nach der Erfindung vermeidet die genannten Nachteile. Diese Schaltung zum Durchschalten eines zyklisch auftretenden elektrischen Signales und zum Speichern einer diesem Signal entsprechenden elektrischen Ladung, insbesondere für Zwecke der Prozeßsteuerung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung zu einem elektrischen Ladungs speicher ein Festkörper-Schaltkreis und in Serie damit ein elektrome chanischer Schalter in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, über die das elektrische Signal demLadungsspeicher zugeführt wird, der eine dem zugeführten Signal entsprechende Ladung speichert, die zyklisch regeneriert wird, daß der elektromechanische Schalter

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sich bei ausfallendem Signal öffnet und ein Abfließen der gespeicherten Ladung über den Festkörper schaltkreis verhindert.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden deutlich aus der folgenden genaueren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen, von denen zeigt:

Fig. 1 in Form eines Blocfcdiagramms die Anwendung der Erfindung

in einem Betriebssystem, das das Ausnützen ihrer Vorteile erlaubt,

Fig. 2 in einer Kombination eines Blockschaltbildes mit einem Detail-

schaltbild die neuen Aspekte der Erfindung genauer,

Fig. 3 das Schaltbild eines typischen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel für das Wiederaufladen eines

Speicherelements während eines Ausfalls eines Gerätes.

In Fig. 1 ist die Steuerung eines physikalischen Prozesses 10 mittels einer Rechenanlage 12 angedeutet. Der Prozeß 10 ist gekennzeichnet durch mehrere steuerbare Variable, deren Werte durch zugeordnete Wandler 14-16 gemessen werden; entsprechende digitale Signale treten auf Leitungen 18-20 auf, welche

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zu der Rechenanlage 12 führen. Die Rechenanlage 12 arbeitet die über die Leitungen 18-20 zugeführten Signale und liefert auf Leitungen 22-24 Steuersignale

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zur Korrektur oder Neuerstellung der Werte der gemessenen Variablen. Normalerweise treten diese Steuersignale in der Form von Analogsignalen auf, von denen jedes im Multiplexverfahren mittels einer Schalter- und Speicheranordnung 26-28 einem Speicherelement zugeführt wird; auf diese Weise wird eine Darstellung des elektrischen Eingangssignals in dem Speicherelement gespeichert. Die Spannungen werden dann anschließend den zugeordneten Wandlern J30-32 zugeführt. Auf ähnliche Weise regeneriert die Rechenanlage 12 bei normalem Betrieb zyklisch diese Spannungen, um die Ladung auf einem Speicherelement auf einem relativ konstanten Wert zu halten. Diese Spannungen der Ladungsspeicher-Elemente werden den Wandlern 30-32 nacheinander zugeführt und sie stellen die Ventile, Temperaturen usw. für den Prozeß 10 ein. Die Erfindung betrifft den Aufbau und den Betrieb einer Schalter- und Speicheranordnung 26.

Fig. 2 zeigt in einer Kombination eines Block- und eines Detailschaltbildes die neuen Aspekte der Erfindung, Der Aufbau einer Schalter- und Speicheranordnung 26 ist innerhalb der gestrichelten Linien gezeigt. Jede solche Schalter- und Speicheranordnung enthält mindestens einen Festkörper-Schaltkreis 40, der mit mindestens einer elektromechanischen Schaltvorrichtung 42, die z. B. ein Relais sein kann, in Reihe geschaltet ist. In Reihe geschaltet mit dem Festkörper-Schaltkreis 40 und dem elektromechanischen Schalter 42 ist ein elektrischer Ladungsspeicher, wie z. B. der geerdete Kondensator 44. Der Festkörper-Schaltkreis 40, der elektromechanische Schalter 42 und der Kondensa-

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tor 44 bilden zusammen eine Schalter- und Speicheranordnung 26.

Beim Betrieb erzeugt die Rechenanlage 12 ein Spannungssignal auf Leitung 22. Die Rechenanlage 12 führt in diesem Beispiel das notwendige Betriebspotential einer Klemme eines Festkörper-Schaltkreises 40 und der Spule 43 des elektromechanischen Schalters 42 zu, so daß der Festkörper-Schaltkreis 40 vorübergehend leitend und der elektromechanische Schalter 42 ständig geschlossen wird. Dieser Vorgang wird ausführlicher im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben. Das Signal auf Leitung 22 gelangt dann über den Festkörper-Schaltkreis 40 und den elektromechanischen Schalter 42 zum Kondensator 44, in dem es gespeichert wird. Der Festkörper-Schaltkreis 40 wird dann nichtleitend (ζ. B. aufgrund der Abschaltung des notwendigen Betriebspotentials), und die Ladung wird im Kondensator 44 gespeichert, bis der Wandler 30 sie benötigt oder verwenden kann.

Die hohe Schaltgeschwindigkeit des Festkörper-Schaltkreises 40 der Fig. 2 wird dazu benutzt, das Spannungs signal auf Leitung 22 zum Kondensator 44 zu übertragen. Bei normalem Betrieb reicht die Impedanz, die der Festkörper-Schaltkreis 40 für eine Ladung auf dem Kondensator 44 bildet aus, um ein Abfließen der Ladung für eine bestimmte Zeit zu verhindern. Außerdem wird im · norrnalen Betrieb die Ladung des Kondensators 44 zyklisch wiederaufgefüllt. Sollte die Rechenanlage 12 jedoch ausfallen, dann würde die Ladung dee Kondensators 44 bald über den Festkörper-Schaltkreis abfließen, und es ist keine

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Vorrichtung vorgesehen, um den Kondensator 44 wieder aufzuladen. Wenn jedoch die Rechenanlage ausfällt, kann sie der Spule 43 des elektromechanischen Schalters 42 keinen Strom mehr zuführen. Dann wird der Schalter 42, der durch den Strom in der Spule 43 geschlossen gehalten wurde, geöffnet. Infolge der hohen Impedanz, die der geöffente Schalter 42 für die im Kondensator 44 gespeicherte Ladung bildet, kann diese sich nur sehr langsam verringern, solange die Rechenanlage außer Betrieb ist. Auf diese Weise kann der Prozeß stabilisiert werden, bis das Wartungspersonal die Stromversorgung wieder sichergestellt oder die Rechenanlage repariert hat. Wenn die Rechenanlage 12 wieder arbeitet, werden die notwendigen Potentiale wieder dem Festkörper-Schaltkreis 40 und der Spule 43 des elektromechanischen Schalters 42 zugeführt, um sie wieder in Normalzustand zurückzubringen.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Der Festkörper-Schaltkreis 40 ist als Feldeffekt-Transistor dargestellt. Zwei in Reihe geschaltete Feldeffekt-Transistoren, die als ein Schalter arbeiten, sind ausreichend. Es können auch andere Festkörper-Schalter verwendet werden, solange sie gemeinsam hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen und das rasche Abfließen der Ladung des Kondensators 44 im normalen Betrieb verhindern. Mit dem Festkörper-Schaltkreis 40 ist der elektromechanische Schalfür
ter 42 in Serie geschaltet, den in der Praxis ein Relais verwendet werden kann. Ebenfalls in Reihe geschaltet mit dem Feldeffekt-Transistor 40 und dem Relais 42 ist ein Speicherkondensator 44, der einen Kapazitätswert von 1 Micro?

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farad aufweisen kann. Andere komplizierte Schaltungen für das Speichern von Ladungen, welche Spannungen entsprechen, können mit gleichem Erfolg benutzt werden. Eine lineare Verstärkerschaltung mit einer positiven Spannungsquelle 50, einem Transistor 54, sowie einem Feldeffekt-Transistor 52 und einem Widerstand 56 ist ebenfalls für das Weiterleiten des erhaltenen Signals vom Kondensator 44 zu einem Wandler 40 dargestellt.

Bei dem Beispiel nach Fig. 3 liegt die Schaltzeit des Feldeffekt-Transistors für ein Spannungs signal von 1-5 Volt auf Leitung 22 in der Größenordnung von Mikr ο Sekunden, während die Schaltzeit für das Relais 42 in der Größenordnung von Millisekunden liegt. Der Feldeffekt-Transistor 40 erfordert einen Impuls von ungefähr 10-20 Volt an der Klemme 41, um leitend zu werden. Ähnlich hält eine Spannung von ca, 24 Volt an der Spule 43 den Schalter 42 geschlossen. Die Spannung an der Klemme 50 kann +30 Volt betragen. Der Widerstand 56 kann einen Wert von 10, 000 Ohm aufweisen. Alle diese Werte sind lediglich als Beispiele angegeben und können vom Fachmann leicht geändert werden. Obgleich es vorzuziehen ist, den Festkörper-Schaltkreis 40 in einigen Fällen vor dem elektromechanischen Schalter 42 anzuordnen, kann es in anderen Fällen besser sein, die Reihenfolge umzukehren; die einzige Bedingung ist, daß sie in Reihe geschaltet sind.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Schaltung, gemäß der der Kondensator 44 positiv aufgeladen wird, wenn der Spule 43 des elektromechanischen Schalters

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keine Energie mehr zugeführt wird. Durch Ändern der innerhalb der Linien 4-4 der Fig. 3 dargestellten Schaltung kann eine Spannungsquelle 60 mit dem Kondensator 44 verbunden werden, wenn die Rechenanlage ausfallen sollte» Dann wird Kondensator 44 auf den richtigen Spannungspegel aufgeladen, der sich unabhängig davon, wie lange eine Reparatur dauert, nicht mehr ändert. Die Wirkungsweise der übrigen Schaltung bleibt im wesentlichen dieselbe.

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Claims

1 R 7 L R *-) 7 PATENTANSPRÜCHE I O /1 H O O

1. Schaltung zum Durchschalten eines zyklisch auftretenden elektrischen Signals und zum Speichern einer diesem Signal entsprechenden elektrischen Ladung, insbesondere für Zwecke der Prozeßsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung (22; Fig. 2) zu einem elektrischen Ladungsspeicher (44) ein Festkörper-Schaltkreis (40) und in Serie damit ein elektromechanischer Schalter (42) in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, über die das elektrische Signal dem Ladungsspeicher zugeführt wird, der eine dem zugeführten Signal entsprechende Ladung speichert, die zyklisch regeneriert wird, daß der elektromechanische Schalter sich bei ausfallendem Signal öffnet und ein Abfließen der gespeicherten Ladung über den Festkörper schaltkreis verhindert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper Schaltkreis mindestens einen Feldeffekt-Transistor enthält und der elektromechanische Schalter ein Relais ist.

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