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Sicherheitsschaltung zum Durchführen logischer Verknüpfungen, insbesondere
für das Eisenbahnsidherungswesen Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltung
zum Durchführen logischer Verknüpfungen, insbesondere für das Eisenbahn-sicherungswesen,
mit einem Verknüpfungsbaustein, der als Verknüpfungsglieder je ein NAND-Glied
und ein NOR-Glied mit je einem Ausgang enthält, für binäre Schaltvariable
und deren antivalente Schaltvariable in Form von rechteckförmigen digitalen Signalen
mit vorgegebener Folgefrequenz. In der modernen Technik der Informationsverarbeitung,
z. B. in der Eisenbahnsicherungstechnik und bei d er Reaktorsteuerung, werden
Schaltwerke benötigt, deren Verknüpfungsglieder logische Verknüpfungen durchführen.
Derartige Verknüpfungsglieder können auch aus mit verschiede-,#.en 'Wicklungen versehenen
hartmagnetischen Ringkernen mit rechteckförmiger Hystereseschleife aufgebaut we--#JAer.
Das Bewickeln der Ringkerne sowie der Aufbau von dchaltwerken mit derartigen Verknüpfungsgliedern
lassen sich jedoch nur durch erheblichen Kapitalaufwand mechanisieren und rationalisieren,
wodurch die Herstellungskosten relativ hoch sind. Die Anwendung der sogenannten
Einwindungstechnik vereinfacht die Fertigung derartiger Verknüpfungsglieder erheblich,
sie hat jedoch zur Folge, daß die Arbeitsgeschwindigkeit in unerwünschter Weise
herabgesetzt wird. Weiterhin ist bei dieser Technik nachteilig, daß ein Fehler erst
zum Zeitpunkt der nächsten Betätigung des fehlerhaften Verknüpfungsgliedes erkennbar
wird.
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Derartige Schaltungen sind für Schaltwerke der Sicherungstechnik wenig
geeignet, weil bei diesen Einrichtungen eine sofortige Fehlermeldung unmittelbar
nach bzw. beim Eintreten des Fehlers gewünscht wird.
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Neben den Ringkernschaltungen werden in Schaltwerken auch Halbleiterschaltkreistechniken
angewendet, die keine
Magnet 1 materialien enthalten. Diese
Halbleiterschaltungen ermöglichen zwar als integTierte Bausteine eine besonders
hohe Arbeitsgeschwindigkeit und können je nach Stückzahl eine günstige Kostenentwicklung
erlauben, jedoch ist für eine sichere Fehlermeldung ein hoher zusätzlicher Aufwahd
erforderlich.
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Aus der DAS 1 175 738 ist ein aus NICHT-Gattern aufgebauter
Verknüpfungsbaustein zur Realisierung einer ODER- bzw. UND-Funktion.bekannt. Diese
bekannten Verknüpfungsbausteine enthalten als Verknüpfungsglieder je ein
NAND- und ein NOR-Glied,. denen einerseits binäre Schaltvariable und andererseits
binäre antivalente Schaltvariable zur Verarbeitung zur Verfügung stehen
* Je nach Zuordnung der Ein- und Ausgänge zu den Schaltvariablen lassen sich
mit dem Verknüpfungsbaustein alle Grundverknüpfungen durchführen. Nachteilig ist
auch bei diesem Verknüpfungsbaustein, daß die in den Bauteilen auftretenden Fehler
zu Informationsverfälschungen führen können, ohne daß eine rechtzeitige selbsttätige
Meldung des fehlerhaften Verknüpfungsgliedes möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verknüpfungsbaustein
anzugeben, der selbsttätig sofort jegliche Störungen möglichst sicher an eine zentrale
Überwachungseinrichtung meldet. Das Überwachungssystem soll darüber hinaus eine
schnelle Fehlerlokalisierung ermöglichen und durch Beschränkung auf Bauelemente
wie Transistoren, Dioden und W.iderstände - auch bei den Verknüpfungsbausteinen
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integrierbar sein..
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Die Erfindung geht Von der Erkenntnis aus', daß bei Verwendung
je eines NAND- und eines NOR-Gliedes ein zweikanaliger Verknüpfungsbaustein
entsteht, dessen zwei Ausgänge einen Originalkanal und'einen Komplementärkanal darstellen.
Diese beiden Kanäle führen antivalente Ausgangssignale. Infolge dies er Antivalenz
der Ausgangssignale führen der Originalkanal und der Komplementärkanal im nicht
gestörten Zustand'zu jedem Zeitpunkt unterschiedliche
Potentiale.
Sobald ein Verknüpfungsglied eines Verknüpfungsbausteines fehlerhaft ist, ist auch
die Antivalenz gestört, wodurch die Potentiale im Original- und Komplementärkanal
gleich sind.
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Diese Erkenntnis zugrundelegend, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß an die Ausgänge der beiden Verknüpfungsglieder als Überwachungsglied
eine Gleichrichterschaltung angesIchlossen ist, deren Ausgangsspannung als Versorgungsspannung
für die Schaltstrecke eines elektronischen Schaltere verwendet ist, für dessen Steuerstrecke
rechteckförmige digitale Testsignale mit mindestens der doppelten vorgegebenen Polgefrequenz
vorgesehen sind, die außerhalb des Flankenbereiches der digitalen Signale liegen.
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Die Überwachung erfolgt also durch.ein Überwachungsglied, das mit
Testsignalen gespeist wird. Diese bestehen aus Impulsen, die relativ zur Dauer einer
Halbperiode der digit alen Signale (Schaltvariable) kurz sind und zeitlich gesehen,
vorzugsweise in der Mitte jeder Halbperiode liegen. Hierdurch werden unbegründete
Fehlermeldungen vermieden, die durch unterschiedliche Schaltgeschwindigkeiten der
beiden Verknüpfungsglieder eines Verknüpfungsbausteines hervorgerufen werden können.
Da sich derartige Antivalenzstörungen auf die Flankenbereiche der digiGalen Signale
beschränken, erfolgt die Überwachung jeweils zwischen den Flankenbereichen.
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Wenn besonders hohe Sicherheitsanforderungen gestellt werden, ist
es zweckmäßig, jedes Überwachungsglied so aufzubauen, daß auch ein Defekt in dieser
Baugruppe selbsttätig sofort gemeldet wird. Diese Forderung wird gemäß einer vorteilhaften
Ausbildung des Erfindungsgegenstandes dadurch erfüllt, daß bei dem Überwachungsglied
die Emitterelektrode eines Transistorschalters unmittelbar und die Kollektorelektrode
über einen ers - ten Widerstand an die Gleichrichterschaltung angeschlossen
ist, daß die Basiselektrode über einen zweiten Widerstand wie die Kollektorelektrode
mit
der Gleichrichterschaltung verbunden und über einen -dritten Widerstand an einen
aus einem vierten und fünften Widerstand bestehenden Spannungsteiler gelegt ist,
wobei an den als Eingang dienenden vierten Widerstand die Testsignale und an den
fünften Widerstand ein zusätzliches Versorgungspotential gelegt ist.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung für mehrere Verknüpfungsbausteine
in einem Schaltwerk sieht vor, daß die den Verknüpfungsbausteinen zugeordneten Überwachungsglieder
eine Reihenschaltung bildeng bei der jeweils der Ausgang eines Überwachungsgliedes
mit dem Eingang des in der Reihenschaltung folgenden Überwachungsgliedes verbunden
ist, wobei an das erste Überwachungsglied der Reihenschaltung ein'e Testsignalquelle
für die Testsignale und an das letzte Überwachungsglied eine dessen Ausgangssignale
auf Amplitude und Phasenlage gegenüber den Testsignalen überwachende Baugruppe angeschlossen
ist.
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Bei fehlerfreiem Betrieb eines mit'diesen Überwachungsgliedern ausgestatteten
Schaltwerkes durchlaufen die Testsignale die gesamte Reihenschaltung. Der ununterbro'chene
Empfang der Testsignale in der diese überwachenden Baugruppe ist eine absolut sichere
Aussage darüber, daß im gesamten Schaltwerk keine Antivalenzstörung vorliegt. Bleiben
die Testsignale ausgangsseitig auch nur kurzzeitig aus, so Ist dies ein Zeichen
dafürg daß infolge eines Defektes die Antivalenz oder die Überwachung s.elbst gestört
ist, Die Überbrückung eineb Überachungsgliedes macht sich in einer Phasendrehung
um 180 0 der Ausgangssignale für die überwachende BaUgruppe gegenüber den
Testsignalen bemerkbar und ist somit ebenfalls feststellbar.
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Mit diesem Überwachungssystem ist jeder Einzelfehler in einem Verknüpfungsbaustein
im gesamten Schaltwerk leicht zu erkennen und zu lokalisieren. Tritt je ein
Fe.hler in beiden Verknüpfungsgliedern eines Verknüpfungsbausteines auf, was jedoch
sehr unwahrscheinlich ist und daher nicht
angenommen zu werden braucht,
so tritt keine Störung der Antivalenz und damit keine Störungsanzeige ein. Es ist
also wichtig, daß die Testsignale so gewählt werdeng daß die Überprüfung auf bestehende
Antivalenz sehr oft pro Zeiteinheit erfolgt. Nur dann ist es möglich, einen in einem
der beiden Verknüpfungsglieder auftretenden Fehler zu erkennen, zu dem eine kurze
Zeit später in dem anderen Verknüpfungsglied desselben Verknüpfungsbausteines ein
weiterer Fehler hinzukommt.
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Überlegungen haben gezeigt, daß ein Fehler innerhalb eines deAeiden
VerknüpfungsglIeder eines Verknüpfungsbausteines sich in Abhängigkeit von der Art
der verwendeten Schaltvariablen erst nach Ablauf einer Meldeverzögerungszeit erfassen
läßt. Diese Meldeverzögerungszeit ist entweder Null oder in ihrer Dauer vom Eintreten
einer passenden Kombination der Werte der Schaltvariablen abhängig. Da wie oben
bereits erläutert wurde, von den in einem Verknüpfungsbaustein möglichen Doppelfehlern
nur diejenigen unerkannt bleiben, die nicht zu einer Antivalenzstörung führen, ist
es für die Erkennung dieser Fz#;iiler wichtig, daß die Meldeverzögerungszeit besonders
kizin gehalten wird.
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Eine spezielle Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch einen besonderen
Aufbau der Verknüpfungsbausteine und eine zweckmäßige Wahl der Signale für die Schaltvariable
und die antivalente Schaltvariable sowie der Testsignale eine bezüglich--der Sicherheit
und der Wirtschaftlichkeit in hohem Maße vollkommene Sicherheitsschaltung zum Durchführen
logischer Verknüpfungen zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöste daß als Schaltvariable
Rechteckspannungen gleicher Frequenz und Amplitude verwendet sind, wobei sich die
beiden Werte der Schaltvariablen durch einen Phasenunterschied von 1800 unterscheiden,
daß jedes der beiden Verknüpfungsgliedereines Verknüpfungsbausteins aus einem Transistor
besteht, dessen-Kollektorelektrode über einen
ersten Widerstand
an einem Versorgungspotential und dessen Emitterelektrode an ' einem anderen'Versorgungspotential
liegt, und dessen Basiselektrode einerseits über einen zweiten Widerstand an dem
zusätzlichen Versorgungspotential der Überwachungsglieder liegt und an die andererseits
eine aus drei weiteren Widerständen bestehende Matrix angeschlossen ist mit zwei
Eingängen für die zu verknüpfenden Schaltvariablen und einem Eingang für ein Prägesignal,
das die gleiche Frequenz und Amplitude wie-die Rechteckspannungen hat und
je nach Verwendung des betreffenden Verknüpfungsgliedes als NAND-Glied oder
als NOR-Glied ständig die eine bzw. die andere Phasenlage der Schaltvariablen aufweist.
Mit diesem Verknüpfungsbaustein wird eine datenflußunabhärt,--,Iige Meldeverzögerungszeit
erzielt. Sie ist in ihrer Größe auf eine halbe Periodendauer der Rechtecksignale
begrenzt und wird dann auf eine kleinstmögliche Dauer beschränkt, wenn die Folgefrequenz
der Rechteckspannung bis an eine obere Grenze der Schaltgeschwindigkeit d#ir erhöht
wird.
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Bei dem vorstehend erläuterten Erfindungsgegenstand werd en nicht
nur erhebliche Vorteile hinsichtlich einer wirkungsvollen Verkürzung der Meldeverzögerungszeit
erreicht, sondern durch die Anwendung einer Verknüpfung der beiden Schaltvariablen
nach dem Prinzip einer Mehrheitsentscheidung unter Hinzunahme eines binären Pi#ägesignals
kann in hervorragender Weise sowohl für den Aufbau des NAND- als auch des NOR-Gliedes
jedes Verknüpfungsbausteines dieselbe einheitliche Schaltung verwendet werden. Ob.diese
Schaltung die Funktion des einen oder anderen Gliedes übernimmt, entscheidet allein
der Wert des Prägesignals.
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Da sowohl die Verknüpfungsbausteine als auch die zugehörigen Überwachungsglieder
als Bauelemente lediglich Transistoren, Dioden und Widerstände enthalten, ist es
weiterhin vorteilhaft, mindestens die beiden Verknüpfungsglieder
einschließlich-je
eines Folgeverstärkers und des zugehörigen Überwachungsgliedes als ein Baustein
in integrierter Schaltkreistechnik auszuführen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen: Fig.
1 mehrere Verknüpfungsbausteine und zugeordnete Überwachungsglieder, die
eine Reihenschaltung bilden, Fig. 2 das Überwachungsglied für einen Verknüpfungsbaustein,
Fig. 3 ein Verknüpfungsglied zum wahlweisen Durchführen der NAND- bzw. NOR-Verknüpfung,
Fig. 4 eine Darstellung der als Schaltvariable verwendeten Signale sowie eine Anzahl
von Testsignalen, Fig. 5 und 6 zwei Tabellen mit verschiedenen Kombinationen
von Schaltvariablen für ein Verknüpfungsglied nach Fige 3 sowie In Abhängigkeit
davon und vom Wert eines Prägesignals die jeweiligen Verknüpfungsergebnisse und
Fig. 7 einen vollständigen Verknüpfungsbaustein mit zwei Verknüpfungsgliedern
und einem Überwachungsglied. Fig. 1 zeigt mehrere Verknüpfungsbausteine VE19
VE2 und VE3 mit je einem zugeordneten Überwachungsglied SR1, SR2 und SR3.
Jeder der Verknüpfungsbausteine enthält zwei Verknüpfungsglieder, ein NAND-Glied
VEll mit zwei Eingängen E31 und E41 sowie einem Ausgang All und ein
NOR-Glied VE12 mit den Eingängen Ell, E21 und einem Ausgang A12. Den
Eingängen Ell, E21 und E41 stehen binäre und antivalente binäre Schaltvariable
zur Verfügung in Form von Rechteckspannungen mit vorgegebener Folgefrequenz-. Die
Werte der Schaltvariablen 0
unterscheiden sich durch einen Phasenunterschied
von 180
Solange die Verknüpfungsbausteine VE1, VE2 und VE3 ordnungsgemäß arbeiten,
wenn also keines der einzelnen Verknüpfungsglieder VE1-1 und VE12 der Verknüpfungsbausteine
einen -
Defekt hat, führen die Ausgänge All und A12 jedes der
Verknüpfungsbausteine antivalente Signale.
Hierdurch wird eine Spannung
Ul, U2 bzw. U3 als Steuerspannung für das dem jeweiligen Verknüpfungsbaustein
zugeordnete Überwachungsglied abgegeben. Wenn ein aus den dargestellten Verknüpfungsbausteinen
VE1, VE2 und VE3 usw. aufgebautes Schaltwerk auf einen eventuellen auftretenden
Fehler hin überwacht werden soll, müssen die von allen Verknüpfungsbausteinen abgegebenen
Spannungen überwacht" also zur Koinzidenz gebracht werden. Ein übliches Koinzidenzglied
ist zu diesem Zweck ungeeignet, weil es seinerseits auf Funktionstüchtigkeit überwacht
werden muß.
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Um dies zu vermeiden, sind die einzelnen Überwachungsglieder SR1,
S-R2 und SR3 zur Koinzidenzbildung in Reihe geschaltet. Solange zum Beispiel an
den Eingangsklemmen Kll und K21 des Überwachungsgliedes SR1 die Spannung Ul vorhanden
ist, ist der dargestellte Schalter geschlossen.
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Das gleiche gilt in entsprechender Weise für die anderen Überwachungsglieder.
An das erste Überwachungsglied SR1 der Reihenschaltung ist eine TestsignalquelleGangeschlossen,
deren Testsignale dem ersten Überwachungsglied über dessen Eingang K31 zugeführt
werden. Außerdem wird über die Klemme V41 ein zusätzliches Versorgungspotential
zugeführt, das bei dem Überwachungsglied SR1 am Eingang K41 liegt. Die Testeignale
durchlaufen das Überwachungsglied SR1 und werden über dessen Ausgang K51 an das
in der Reihenschaltung folgende Überwachungsglied SR2 '.' weitergeleitet. Sind alle
Verknüpfungsbausteine ungestört, so gelangen die Testsignale schließlich auf eine
Baugruppe PS1, die die Testsignale auf Amplitude und Phasenlage überwacht. Sobald
infolge einer Störung im Schaltwerk oder in den Überwachungsgliedern selbät die
Testsignale ausbleiben, oder in der Phasenlage verfälscht werden, wird dies angezeigt.
Da in jedem Überwachungsglied die Phasenlage der Testsignale um 1800 gedreht
wird, können die Überwachungsglieder leicht auf Überbrückung überprüft werden, da
bei ordnungsgemäßem Arbeiten in der Baugruppe IPS1 ständig Ausgangssignale mit derselben
Phasenlage zur Verfügung stehen.
Als Vergleichsgröße für die Überwachung
der Phasenlage werden der Baugruppe PS1 die Testsignale-direkt von der Testsignalquelle
G zugeleitet.
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Fig. 2 zeigt den näheren Schaltungsaufbau eines Überwachungsgliedes
SR für einen Verknüpfungsbaustein. Die Bezugszeichen für die Ein- und Ausgänge sind
entsprechend denjenigen des Überwa-chungsgliedes SR1 gewählt. Das Überwachungsglied
hat die Aufgabe, die an seinem Eingang K3 zugeführten Testsignale solange über den
Ausgang K5 invertiert abzugeben, wie Spannung vom zu überwachenden Verknüpfungsbaustein
an den Eingangsklemmen-Kl und K2 liegt. Außerdem ist das Überwachungsglied so aufgebaut,
daß in ihm auftretende Fehler überwachbar sind. Als Fehler gelten Überbrückungen
und Unterbrechungen einzelner Bauelemente des Überwachungsgliedes SR. Jeder dieser
Fehler führt zu einer derartigen Veränderung des Überwachungsgliedes', daß die ihm
zugeführten Testsignale nicht mehr bzw. nicht invertiert weitergeleitet werden.
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Da die von jedem Verknüpfungsbaustein abgegebene Spannung, z.B. Ul,
je nach Verknüpfungsergebnis die eine oder andere Polarität haben kann, ist
für das Überwachungsglied eine Vollweg-Gleichrichterschaltung mit den Dioden Dl,
D29D3 und D4 vorgesehen, deren Ausgangespannung . als Versorgungsspannung
für die Schaltstrecke eines Transistors Tl dient, dessen Emitterelektrode direkt
und dessen Kollektorelektrode über einen Widerstand Rl an diese Versorgungsspannung
gelegt sind. An die Basiselektrode ist ein aus vier Widerständen R2, R3 R4 und R5
bestehendes Netzwerk als Eingangsschältung angeschlossen, das eine Eigenüberwachung
gestattet. Um den Transistor Tl mit den über den Eingang K3 zugeführten Testsignalenin
Form einer Rechteckspannung US - vergl%Fig. 4, Diagrammlinie Z3
- sicher durchzuschalten und ebenso sicher zu sperren, wird die Spannung
US, die für ein Überwachungsglied innerhalb der Reihenschaltung von dem in
Übertragungsrichtung der Testsignale gesehen, davor liegenden Überwachungsglied
abgegeben ird, mit Hilfe eines aus den Widerständen R4 und R5
gebildeten
und an dem zusätzlichen Versorgungspotential (Eingang K4) liegenden Spannungsteiler
heruntergeteilt. Die in ihrer Amplitude verkleinerten Testsignale werden einem weiteren
aus den Widerständen R2 und R3 gebildeten Spannungsteiler zugeführt. Bei entsprechender
Dimensionierung der Widerstände Hl bis R5 ist gewährleistet, daß alle Bauteile des
Überwachungsgliedes SR'der geforderten Eigenüberwachung unterliegen. Daß dies der
Fall ist, soll nachstehend an mehreren angenommenen Störungsfällen innerhalb des
Überwachungsgliedes gezeigt werden.
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Eine Unterbrechung an dem Eingang K3 oder zwischen dem Widerstand
R4 und dem Verbindungspunkt A ruft eine dauernde Sperrung des Transistors
Tl hervor, weil die Basiselektrode dann nur noch Sperrpotential führt.
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Eine Unterbrechung zwischen dem Verbindungspunkt A und dem
Widerstand R5 bzw. zwischen diesem und dem Eingang K4 für das zusätzliche Versorgungspotential
hat zur Folge, daß der Transistor Tl-ständig durchgeschaltet bleibt. Dabei werden
über den Ausgang K5 ein Dauerpoter.,i.a-, und keine Testeignale ausgegeben. Dies
ist auch der Fall, wenn eine Unterbrechung zwischen dem Verbindungspunkt
A und dem Widerstand R3 bzw. zwischen diesem und dem Verbindungspunkt B erfolgt.
In diesen Fällen liegt an der Basiselektrode hohes Steuerpotential.
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Der Transistor Tl bleibt auch dann ständig gesperrt, wenn eine Unterbrechung
zwischen dem Verbindungspunkt B und dem Widerstand 0 erfolgt. In diesen beiden
Fällen reicht die Spannung der Testsignale gegenüber dem sperrend wirkenden zusätzlichen
Versorgungspotential am Eingang K4 nicht aus, den Transistor Tl durchzuschalten.
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Erfolgt eine Unterbrechung an der Basiselektrode des Transistors Tlt
so fließt über die Schaltstrecke lediglich ein zu vernachlässigender Reststrom.
Es werden daher keine Testsignale ausgegeben. Bricht die Emitterelektrode
ab, so fließt über die Basis-Kollektorstrecke ebenfalls lediglich nur ein zu vernachlässigender
Reststrom.
Auch dies bedeutet eine Sperrung der Testsignale. Eine
Unterbrechung in der Kollektorelektrode des Transistors Tl hat am Ausgang K5 gleichbleibendes
hohes Potential zur Folge.
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Bei einer Unterbrechung eines der Anschlüsse des Wider-Standes R2
liegt am Ausgang K5 ständig ein um die Durchlaßspannung der Basis-Emitterstrecke
des Transistors Tl verringertes Basispotential. Dieses liegt aber dicht über bzw.
dicht unter dem Potential der Emitterelektrode. Hierdurch wird zum.Beispiel der
Transistor eines in der ReihenAchaltung folgenden Überwachungsgliedes ständig gesperrt.
Dies ist auch der Fall, wenn am Punkt 0 kein Versorgungspotential anliegt.
Am Ausgang K5 liegt in diesem Fall das Potential des Verbindungspunktes B.
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Wird der Widerstand R4 kurzgeschlossen, bleibt der Transis" tor TI
ständig durchgeschaltet, weil dann an dessen Basiselektrode vom vorhergehenden Überwachungsglied
bzw. von der Testsignalquelle G zu hohes Potential liegt.
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Ist der Widerstand R5 kurzgeschlossen, so bleibt der Transistor Tl
ständig gesperrt. Dies gilt auch für den Fall, daß der Widerstand R3 überbrückt
ist. Eine Überbrückung-des Widerstandes R2 macht das Überwachungsglied ebenfalls
funktionsunfähig, weil dessen Transistor Tl dann ständig durchgeschaltet bleibt.
Der dabei in übernormaler Höhe fließende Basisstrom zerstört die Basis-Emitterstrecke
des Transistors, wodurch zusätzlich die Stromversorgung des betreffenden Überwachungsgliedes
kurzgeschlossen wird. Wird die Basis-Emitterstrecke überbrückt, so ist der TransistGr
Tl nicht mehr steuerbar. Liegt-ein Fehler infolge Überbrückung der Basis-Kollektorstrecke
vor, führt der Ausgang K5 ständig konstantes Potential, weil bei dem angenommenen
Fehler eine Parallelschaltung der Widerstände Rl und R2 vorliegt. Sind alle Elektroden
des Transistors Tl miteinander verbunden, so liegt der Ausgang K5 ständig auf tiefem
Potential. Ist der Widerstand Rl überbrückt, dann schlägt die Schaltstrecke des
Transistors Ti infolge Überlastung durch, und der Ausgang K5 führt dauernd hohes
Potential.
Ständig durchgeschaltet bleibt der Transistor Tl bei
einer Querbrücke zwischen dem Verbindungspunkt B und dem Eingang K4 .oder zwischen
dem Verbindungspunkt A und der Emitterelektrode oder zwischen dem Eingang
K3 und dem Verbindungspunkt C.
Keine Störung hat eine Querbrücke zwischen
dem Verbindungsp.unkt B und dem Eingang K3 zur Folge. Bei einer Querbrücke zwischen
dem Verbindungspunkt A und dem Ausgang K5 führt dieser Testsignale so geringer
Amplitude, daß das in der Reihenschaltung nachfolgende Überwachungsglied nicht ausges'teuert
wird.*Wird eine Querbrücke zwischen dem Eingang K3 und dem Ausgang K5 angen ommen,
so fehlt bei den dann von dem Überwachungsglied abgegebenen Ausgangssignalen die
im ungestörten Fall durch den Transistor Tl hervorgerufene Invertierung. Dies stellt
die Baugruppe PS1 fest.
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Ständig gesperrt bleibt der Transistor Tl bei einer Querbrücke zwischen
dem Eingang K3 und'der Emitterelektrode oder zwischen den Eingängen K3 und K4.
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Veränderungen in der Amplitude der Versorgungsspannung haben ebenfalls
eine Sperrung des betreffenden Überwachungsgliedes für die Testsignale zur Folge,
weil der Transistor Tl dann entweder nicht durchgeschaltet oder nicht gesperrt werden,
kann.
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Fig. 3 zeigt die Schaltuingsanordnung eines Verknüpfungsgliedes
VE mit einem nachgeordnet;n Folgeverstärker zum Durchführen der NAND- bzw- NOR-Verknüpfung
in Abhängigkeit vom Wert eines Prägesignals. Das Verknüpfungsglied besteht aus einem
Transistor T2, dessen.Kollektorelektrode über einen Widerstand R10 an einem Versorgungspotential
liegt, das über den Anschluß Vl zugeführt wird. Die Emitterelektrode ist mit dem
Anschluß V3 verbunden, über den ein anderes Versorgungspotential zugeführt wird.
Die Basiselektrode ist einerseits über einen Widerstand Rg mit dem Anschluß V4 verbunden,
der auf demselben zusätzlichen Versorgungspotential wie die Überwachungsglieder
liegt. Andererseits ist an die Basiselektrode eine aus drei weiteren Widerständen
R6, RTund R8 bestehende Matrix angeschlossen mit zwei Eingängen E10 und
E 20 für die zu
verknüpfenden Schaltvariablen und einem
Eingang EP -für das Prägesignal.
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Der mit seiner Basiselektrode an die Kollektorelektrode des Transistors
T2 angekoppelte Transistor T3 arbeitet in Kollektorschaltung. Die Speisung
erfolgt über die Anschlüsse VI und V3.
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Als Lastwiderstand dient der Widerstand Rll.
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Die Diode hat die Aufgabe, bei gespe.rrtem Transistor T3 an
den Ausgang Al das am Anschluß V2 liegendeVersorgungspotential niederohmig
weiterzuleiten. Da der Transistor T3
im durchgeschalteten Zustand ebenfalls
niederohmig ungefähr das am Anschluß Vl anstehende Versorgungspotential an den Ausg
ang Al weiterleitet, sind für beide Schaltstellungen des Folgeverstärke.Irs
ein sehr kleiner Ausgangswiderstand und kleine Toleranzbereiche für die am Ausgang
liegenden Potentiale gegeben. Hierdurch ist die Möglichkeit vorhanden, weitere Verknüpfungeglieder
an den Ausgang Al anzuschließen, ohne daß eine störende Verkopplung eintritt.
Außerdem ist durch den Folgeverstärker eine hohe Unempfindlichkeit gegen die Einkopplung
von etwaigen Störspannungen gewährleistet. Für eine nähere Betrachtung der Wirkungsweise
soll nun zunächst Fig. 4, die in drei Diagrammlinien Zl, Z2 und Z3 eine Darstellung
der verwendeten Signale als Schaltvariable und zugehörige Testsignale zeigt, und
Fig. 5 sowie 6, die zwei Tabellen mit verschiedenen Kombinationen
von Werten der Schaltvariablen sowie verschiedene Werte des Prägesignals enthalten,
erläutert werden.
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Die Diagrammlinien-Z1 und Z2 von Fig. 4 zeigen Rechteckspannungen
gleicher Frequenz und Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Rechteckspannung
in der Diagrammlinie Zi ist als Wert der Schaltvariablen DO und die in der nächsten'
Diagrammlinie Z2 dargestellte, um 1800 gegenüber der ersten Rechteckspannung
in der Phasenlage verschobene Rechteckspannung als Wert DL der binären Schaltvariablen
definiert. Die Werte der Schaltvariablen unterscheiden sich also nicht wie üblich
in der Amplitude, sondern in der Phasenlage.
Als unveränderliches
Prägeßignal zum Festlegen des je-
weiligen Verknüpfungsglied-Typs dient entweder
die eine .oder die andere Rechteckspannung. Der Einfachheit halber werden die Werte
des Prägesignals ebenfalls mit DO oder DL bezeichnet, obwohl keine variablen Größen
hierunter verstÜen werden.
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Die in der Diagrammlinie Z3 dargestellten Testeignale bestehen wie
bereits kurz angedeutet, aus einer Rechteckspannung US, deren Frequenz mindestens
doppelt so hoch gewählt ist wie diejenige der die Schaltvariable verkörpernden Rechteckspannung.
Außerdem ist ein derartiges Tastverhältnis für die Testsignale vorgesehen, daß-diese
außerhalb der Flankenbereiche F der zu verknüpfenden Signale liegen. Hierdurch werden
Fehlmeldungen hinsichtlich nicht bestehender Antivalenzstörungen vermieden, weil
in den Flankenbereichen F betriebsmäßig Antivalenzstörungen infolge unterschiedlichen"Schaltverhaltens
der Transistoren-eines Verknüpfungsbausteines auftreten können.
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Die Verknüpfung von je zwei Schaltvariablen erfolgt unter Zuhilfenahme
eines konstanten Wertes des Prägezignals, und zwar nach dem Prinzip der llehrheitsentsch-eidung
durch Potentialauswertung. Dabei entspricht der Wert der jeweiligen Verknüpfungsergebnisse
der Mehrheit aus den Werten der zu verknüpfenden Schaltvariablen und dem Wert des
Prägesignals. Soll das Verknüpfungsglied nach Fig. 3 als NAND-Glied arbeiten,
so--wird an den Eingang EP das Prägesignal DO gelegt. In Abhängigkeit der Werte
DO und DL der Schaltvariablen an den übrigen Eingängen E10 und
E20 ist anhand von Fig. 5 zu erkenen, welche Verknüpfungsergebnisse
nach der Mehrheitsentscheidung am Verbindungspunkt X der Widerstandsmatrix R6, R7
und R8 vorliegen. Bis zu diesem Punkt erfolgt eine reine nicht invertierte AND-Verknüpfung.
Die erforderliche Invertierung erfolgt durch den Transistor T2. Da der diesem nachgeschaltete
Transistor T3 als Emitterfolgeetufe zur Impedanzwandlung keine nochmalige
Invertierung äes Verknüpfungsergebnisses bewirkt, liegt am Ausgang Al das Verknüpfungsresultat
eines NAND-Gliedes vor.
Wenn beide Eingänge E10 und
E20 des NAND-Gliedes zum Zeitpunkt tl hohes Potential führen, tritt am Widerstand
R9 .eine linear verkleinerte Summe der drei Potentiale auf, die mit der Schwellenspannung
der Steuerstrecke des Transistors T2 verglichen wird. Diese Summenspannung reicht
in diesem Fall aus, den Transistor T2 durchzuschalten, weil sie größer als die Schwellenspannung
ist. Dabei liegt die Basiselektrode des Transistors T3 auf niedrigem Potential,
so daß dieser Transistor gesperrt ist. Am Ausgang Al liegt.dann das um die
Durchlaßspannung der Diode D5
verminderte Versorgungspotential des AnschlusEes
V2.
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Zum Zeitpunktt2 kehren sich die Verhältnisse bei gleichen Eingangsbedingungen
um. Da dabei alle drei Eingänge E10,
E20 und EP kein hohes Potential
führen, bleibt der Transistor T2 gesperrt. Nun bewirkt das am Anschluß Vl liegende
Versorgungspotential das Durchschalten des Transistors T3-Am Ausgang Al liegt
dann annähernd das am Anschluß Vl befindliche Potential. Das Potential am Ausgang
Al wechselt bei den angenommenen Schaltvariablen also ungefähr zwischen den
Potentialen der Anschlüsse Vl und V2.
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Zum besseren Verständnis muß noch erwähnt werden, daß, ausgehend vom
Versorgungspotential am Anschluß V4 (K4, Fig. 2), die denAnschlüssen V3, V2 und
Vl zugeführten Versorgungspotentiale jeweils einen höheren Wert haben; zwischen
den Klemmen V4 und Vl liegt also die höchste Spannung, zwischen V4 undV2 demgegenüber
eine kleinere und zwischen V4 und V3 eine noch kleinere Spannung.
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Aus Fig. 6 ist zu ersehen, wie das Verknüpfungsglied nach Fig.
3 bei dem Prägesignal DI, arbeitet. Der Inhalt dieser Tabelle ist nach den
vorangegangenen Erläuterungen ohne weiteres verständlich. 'Sowohl das MND-Glied
als auch das NOR-Glied geben als Verknüpfungsergebnis über den Ausgang
Al entweder den Wert DO oder den Wert DL der weiter zu verarbeitenden Schaltvariablen
aus. Diese beiden Werte sind in ihrer Amplitude und Frequenz gleich und unterscheiden
sich in ihrer Information durch eine Phasaverschiebung von 180 0 gegeneinander.
Werden
nun zwei gleiche Verknüpfungsglieder nach Fig. 39
die unter dem Einfluß unterschiedlicher
Werte des Prägesignals ein NAND-Glied und ein NOR-Glied darstellen, zusammengefaßt,
so geben deren beide Ausgänge bei ordnungsgemäßem Betrieb stets antivalente Ausgangssignale
ab, wenn das eine Verknüpfungsglied mit zwei Schaltvariablen und das andere Verknüpfungsglied
mit den entsprechenden antivalenten Schaltvariablen gesteuert wird. Mit anderen
Worten würden also den Eingängen E10, B20 und EP des e,inen Verknüpfungsgliedes
zum Beispiel die Größen DO, DL und DO und den Eingängen des.anderen Verknüpfungsgliedes
die Größen DL, DO und DL zugeführt. Als Verknüpfungs-ergebnisse liegen hieraus resultierend
die antivalenten Schaltvariablen DL und DO in Form von phasenverschobenen Rechteckspannungen
vor,Zwischen den beiden Ausgängen des Verknüpfungsbausteines liegt bei ordnungsgemäßem
Betrieb daher eine Rechteckspannung, deren Polarität sich nach jeder Halbperiode
einmal ändert. Diese Spannung wird mit Hilfe des beschriebenen Überwachungsgliedes
überwacht.
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Nachfolgend soll gezeigt werden, daß jegliche Störung eines Verknüpfungsgliedes'
zur Störung der ausgangsseitigen Antivalenz des betreffenden Verknüpfungsbaus-teines
führt, wodurch eine sichere Überwachung möglich ist.
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Wird einer der Eingänge -E10, E20 oder EP unterbrochen oder
reißt einer der Widerstände R6, R7 oder R8 ab,- so bleibt der Transistor T2 dauernd
gesperrt; der Ausgang Al führt dann konstantes Potential. Hierbei wird die
Spannung an den beiden Ausgängen während jeder zweiten Halbperiode der Rechteckspannung
zu Null. Eine Unterbrechung des Basisanschlusses vom Transistor T2 führt zu einem
konstanten hohen Potential am Ausgang Al. Bei einer Unterbrechung zwischen
dem Verbindungspunkt X und dem Widerstand Rg bleibt der Transistor T2' unter Berücksichtigung
aller möglichen Kombinationen von zugeführten Schaltvariablen durchgeschaltet. Hierbei
liegt der Ausgang Al stets auf konsta ntem niedrigen Potential. Bei einer
Unterbrechung zwischen der Emitterelektro-de des Transistors T2 und dem Anschluß
V3 stellt sich am Ausgang Al
konstantes hohes Potential
ein, weil die Basis-Kollektordiode vom Transistor T2 unter allen Umständen ständig
geE)perrt und der Transistor T3 durchgeschaltet bleibt. Reißt der Kollektoranschluß
des Transistors T2 ab, so bleibt der Transistor T3 ständig durchgeschaltet.
Die Folge davon ist ein konstantes Potential am Ausgang Al.
Eine Unterbrechung
a m Basisanschluß des Transistors T3 hat ebenfalls die Antivalenzstörung
zur Folge, da der Ausgang Al
dann konstantes Potential führt.
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Wird die Basis-Emitterstrecke des Transistors T2 überbrückt, so bleibt
die Basis-Kollektordiode dieses Transistors ständig gesperrt. Hierdurch bleibt der
Transistor T3
-ständig durchgeschaltet. Bei einer Üherbrückung der Kollektor-*
Emitterstrecke des Transistors T2 bleibt der nachgeschaltete Transistor
T3 ständig gesperrt. Eine Überbrückung der Basis-Kollektorstrecke des Transistors
T2 oder eine Verbindung aller drei Elektroden dieses Transistors führt ebenfalls
zur -Ausgabe eines konstanten Potentials am Ausg##..#ig Al.
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Wird einer der Widerstände R6 bzw. R7 oder i--8 überbrückt, bleibt
der Transistor T2 ständig durchgeschaltet und der Transistor T3 daher gesperrt.
Bei einer Überbrückung des Widerstandes Rg liegt das zusätzliche Versorgungspotential
des Anschlusses V4 direkt an der Basiselektrode des Transistors T2. Hierdurch wird
die Basis-Emitter-Spannung stark negativ. Dann.bleibt der Transistor T2 ständig
gesperrt.,Es kan.n allerdings auch vorkommen, daß die Basis-Emitterstrecke infolge
dieser hohen Sperrspannung durchschlägt.-.In diesem Fall entsteht zwischen den Versorgungspotentialen
an den Anschlüssen V3 und V4 ein Kurzschluß, der zu einer zentralen Abschaltung
führt; Durch eine Überbrückung des Widerstandes R10 bleibt der Transistor
T3 ständig durchgeschaltet und ist daher nicht mehr steuerfähig. Reißt die
Emitterelektrode des Transistors T3 ab, so fließt ständig ein Strom über
die Diode D5
und den Widerstand Rll, so daß am Ausgang Al ein konstantes
Potential liegt. Erfolgt eine Unterbrechung in den Anschlüssen
des
Widerstandes Rl 1 9 so ergibt sich kein Einfluß auf die Funktionsfähigkeit
des Verknüpfungsgliedes. Erfolgt eine Überbrückung von Basis-'und Kollektorelektrode
des Transistors T3, so liegt die Basiselektrode ständig auf dem an dem Anschluß
Vl befindlichen Potential, so daß der Transistor T3 durchgeschaltet ist.
Der Ausgang Al
führt dann Dauerpotential. Beim Durchschalten des Transistors
T2 tritt dadurch ein Kurzschluß auf, der zur zentralen Abschaltung führt.
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Sind die Kollektor- und die Emitterelektrode des Traneistors
T3 miteinander verbunden, so liegt der Ausgang Al
ständig auf-dem hohen
Potential des Anschlusses Vl.
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Dies ist auch der Fall, wenn infolge eines Defektes alle drei Elektroden
dieses Transistors miteinander verbunden sind. Bei einer Überbrückung der Diode
D5 liegt der Ausgang Al ständig auf dem an dem Anschluß V2 befindlichen
Potential. Wird der Widerstand Rll kurzgeschlossen, so liegt an dem Ausgang
Al dasselbe konstante Potential wie an der Emitterelektrode des Transistors
T2, das durch die Diode D5 jedoch kurzgeschlossen wird.
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Diese Untersuchungen, die noch auf viele andere anzunehmende Fehler
ausgedehnt werden können, führen mindestens zu dem Ergebnisq daß die Antivalenz
der Ausgangsgrößen des betreffenden Verknüpfungsbausteines gestört wird. Jeder auftretende
Fehler kann also rechtzeitig festgestellt werden.
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Fig. 7 zeigt der Vollständigkeit halber einen Verknüpfungsbaustein
mit zwei Verknüpfungsgliedern und dem zugehörigen Überwachungsglied, die im vorstehenden
Text eingehend erläutert wurden. Bei diesem Verknüpfungsbaustein dienen die Anschlüsse
V101, V2019 V301 und V401 zum Zuführen der Versorgungspotentiale. Die Eingänge
- für die Prägesignale sind mit EP1 und EP2, die zugehörigen Eingänge für
die Schaltvariablen mit EJ013 E201 bzw. E301 und E401 bezeichnet.
Als Ausgänge der beiden Verknüpfungsglieder dienen C>
die mit A101
und A201 bezeichneten Klemmen. Die mit den Bezugszeichen K301 und K501 versehenen
Anschlüsse des
Verknüpfungsbausteines sind der Eingang bzw. Ausgang
des Überwachungsgliedes.
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Zum Weiterleiten der antivalenten Signale wird in vorteilhafter Weise
eine Doppelleitung mit eng aneinander liegenden. Leitern verwendet. Da die Summe
der in den beiden Leitern fließenden Ströme zu jedem Zeitpunkt annähernd konstant
ist, entsteht nur ein sehr kleines elektrisches und magnetisches Störfeld.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.-Vielmehr ist es durchaus möglich, in dem Überwachungsglied anstelle
der Gleichrichterschaltung und des Transistorschalters andere gleichwirkende elektronische
Bauelemente zu verwenden. Ferner können Verknüpfungsglieder verwendet werden, die
mehr als zwei Eingänge für Schaltvariable aufweisen.