DE3519252C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fehlersichere Logikschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Allgemein können in Halbleiterschaltkreisen zwei Arten von Fehlern, aktive und passive Fehler, auftreten. Ein passiver Fehler liegt dann vor, wenn bei Ausfall einer Komponente der Baugruppe die Baugruppe in einen sicheren Zustand, üblicherweise den stromlosen Zustand, übergeht. Bei Auftreten eines aktiven Fehlers hingegen bleibt die Baugruppe aktiv, so daß aktive Fehler während des Be­ triebszustandes nicht erkannt werden. Bei fehlersicheren Bauteilen ist durch konstruktive Maßnahmen dafür Sorge getragen, daß nur passive Fehler auftreten können.

Aus der Druckschrift Technische Information: Sicher­ heitstechnische elektronische Steuerungen, LBM03- 7902, Paul Hildebrand GmbH & Co. KG, Industrieelektronik, ist eine fehlersichere Logikschaltung bekannt, von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird. Bei der darin beschriebenen UND-Schaltung werden die lo­ gisch zu verknüpfenden Signale über Widerstände den Kol­ lektoren von Schalttransistoren zugeführt. Im Emitterba­ siskreis des ersten Schalttransistors liegt eine Recht­ eckspannung mit einer Frequenz von 8 kHz an. Der erste Transistor wird somit mit einer Frequenz von 8 kHz ab­ wechselnd auf "Öffnen" und "Sperren" geschaltet. Liegt nun gleichzeitig eine logische "1", d. h. ein hoher Span­ nungspegel an dem ersten Signaleingang an, so fließt durch den Emitter-Kollektorkreis ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 8 kHz. Der dadurch erzeugte Span­ nungsabfall wird über einen Koppelkondensator zur An­ steuerung des zweiten Schalttransistors verwendet. Liegt auch am zweiten Signaleingang eine logische "1" an, so gelangt eine Wechselspannung über die nachgeschaltete Verstärkerstufe und einen Trennkondensator an einen Wechselstromübertrager. Die Spannung auf der Sekundär­ seite dieses Wechselstromübertragers wird einem Gleich­ richter mit Siebkondensator zugeführt. Am Ausgang dieses Gleichrichters liegt somit nur dann ein hoher Signalpe­ gel, bzw. eine logische "1" vor, wenn beide Signalein­ gänge der fehlersicheren Logikschaltung mit einer logi­ schen "1" beaufschlagt werden und dem ersten Schalttran­ sistor die Wechselspannung zur Ansteuerung zugeführt wird. Durch die Überlagerung der Logiksignale mit einer Wechselspannung und der gleichstrommäßigen Abkopplung des Ausgangs der Logikschaltung von der eigentlichen Verknüpfungslogik wird erreicht, daß ein Ausfall eines Bauteils, der zu einem statischen hohen Signalpegel führt, nicht an den Ausgang der Logikschaltung gelangen kann. Hierbei ist auch wichtig, daß die Kondensatorkopp­ lung der einzelnen Schalttransistoren mittels der Widerstände so dimensioniert werden kann, daß durch Ausfall eines Bauteils kein nichtverschwindendes Spannungssignal bzw. logisch hoher Pegel am Ausgang der Logikspannung entsteht.

Nachteilig bei einer derartigen Logikschaltung ist die oben erwähnte Notwendigkeit, einzelne Bauteile inner­ halb genauer Toleranzgrenzen genau zu dimensionieren, was zu einer Verteuerung der Schaltung führt, da höherwertige Bauteile verwendet werden müssen. Da aber selbst bei Ver­ wendung von hochwertigen Bauteilen gewisse Toleranzen in Kauf genommen werden müssen, ist es möglich, daß unter gewissen ungünstigen Betriebsbedingungen die Fehlersi­ cherheit der Logikschaltung nicht gewährleistet wird. Darüber hinaus kann bei einem Kurzschluß der Basis-Kol­ lektor-Strecke der Schalttransistoren das dynamische Si­ gnal des Rechteckgenerators allein am Ausgang der UND- Schaltung fälschlicherweise eine logische "1" verursa­ chen. Weiterhin ist es nachteilig, daß ein Transistor so ausfallen kann, daß er ein dynamisches Signal abgibt, was wiederum fälschlicherweise zu einem hohen Ausgangspegel der UND-Schaltung führen kann. Auch die Zuverlässigkeit derartiger Logikschaltungen ist aufgrund der größeren Anzahl der verwendeten Bauteile im Vergleich zu konven­ tionellen Logikschaltungen verringert.

Eine Verbesserung hinsichtlich der Fehlersicherheit erzielt die Verwendung von Optokopplern, wie dies zum Beispiel aus der DE-OS 24 25 904 bekannt ist. Dort bildet jedoch das periodische Signal im Falle der UND-Verknüpfung eines der zu verknüpfenden Signale bzw. im Falle der ODER-Verknüpfung müssen jeweils parallele Schaltkreise durch das periodische Signal aktiviert werden. Eine derartige Schaltungsanordnung steht der Möglichkeit einer Kaska­ denbildung im Wege, wo nach einem einheitlichen Bildungsgesetz und Schaltungsschema eine beliebige Anzahl von Signalen einer logischen Verknüpfung unterzogen werden soll.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine fehler­ sichere Logikschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder 2 zu schaffen, die trotz der Verwendung von Bauteilen mit üblichen Toleranzen fehlersicher ist, eine erhöhte Zuverlässig­ keit aufweist und für eine beliebige Anzahl von zu verknüpfenden Signalen erweiterbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merk­ male der Patentansprüche 1 oder 2. Weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen der erfindungsgemäßen Logikschaltung sind den Unter­ ansprüchen entnehmbar.

Wesentlich ist dabei, daß in der Verknüpfungslogik der fehlersicheren Logikschaltung Optokoppler als Koppelele­ mente verwendet werden, so daß die bei der Verwendung von Transistoren und Koppelkondensatoren auftretenden Dimen­ sionierungsprobleme entfallen. Dabei erhöht sich gleich­ zeitig die Zuverlässigkeit der fehlersicheren Logikschal­ tung, da die Anzahl der Bauteile verringert wird. Ein Hauptvorteil ist darin zu sehen, daß ein Optokoppler nie so ausfallen kann, daß zwischen Photodiode und Photo­ transistor eine galvanische Kopplung entsteht. Auch ein dynamisches Ausfallen wie bei einem Transistor ist bei einem Optokoppler nicht möglich. Insbesondere bei der Verwendung von medizinischen Geräten die unmittelbar an Patienten angeschlossen sind und daher unter Umständen lebensgefährdend sein können ist eine fehlersichere Lo­ gikschaltung mit erhöhter Fehlersicherheit durch Opto­ koppler sehr wichtig.

Zur Realisierung einer fehlersicheren UND- oder NOR- Schaltung werden die Optokoppler in vorteilhafter Weise in Reihe geschaltet. Zur Realisierung von fehlersicheren ODER- oder NAND-Schaltungen werden die Optokoppler pa­ rallel geschaltet. Wird entweder die NAND-Schaltung oder die NOR-Schaltung mit nur einem Signaleingang ausgebil­ det, so sind zwei verschiedene Varianten eines fehlersi­ cheren Inverters realisierbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung werden die Ausgangssignale aus der Verknüpfungslogik in einer Ver­ stärkerschaltung verstärkt, was beispielsweise für die direkte Ansteuerung von größeren Verbrauchern besonders vorteilhaft ist.

In vorteilhafter Weise läßt sich auch ein Trennkonden­ sator der Verstärkerschaltung nachschalten, der verhin­ dert, daß Gleichstromanteile an die Primärwicklung des Transformators gelangen können. Dieser Trennkondensator dient auch zum Schutz der Schalttransistoren.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von meh­ reren Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeich­ nung. Darin zeigt

Fig. 1 eine fehlersichere UND-Schaltung gemäß der vor­ liegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine fehlersichere NOR-Schaltung,

Fig. 3 eine fehlersichere ODER-Schaltung,

Fig. 4 eine fehlersichere NAND-Schaltung, und

Fig. 5 eine Alarmzusammenfassung mit einer UND- und ei­ ner NOR-Schaltung.

In Fig. 1 ist das Schaltbild einer fehlersicheren UND- Schaltung für drei logisch zu verknüpfende Eingangssi­ gnale mit einer UND-Verknüpfungslogik 1-1 einer Wech­ selspannungsquelle 2 in Form eines Rechteckgenerators, einer Verstärkerschaltung 3, und einer nur auf Wechsel­ strom ansprechenden Ausgangsschaltung 5 dargestellt. Über einen ersten, zweiten und dritten Signaleingang 10-1, 10-2 und 10-3 werden über zugehörige Widerstände 11 einem ersten, zweiten und dritten Optokoppler 12-1, 12-2, 12-3 der UND-Verknüpfungslogik 1-1 drei logisch zu ver­ knüpfende Signale zugeführt. Die Optokoppler 12-1, 12-2, 12-3 bilden die Koppelelemente der UND-Verknüpfungslo­ gik 1-1. Ein Ausgang der als Rechteckgenerator aus­ gebildeten Wechselspannungsquelle 2 ist mit einem ersten Anschluß einer Photodiode 13 des ersten Optokopplers 12-1 verbunden und der andere Ausgang der Wechselspan­ nungsquelle 2 liegt auf Masse. Der zweite Anschluß der Photodiode 13 des ersten Optokopplers 12-1 ist über den zugehörigen Widerstand 11 mit dem ersten Signaleingang 10-1 verbunden. Ein Emitteranschluß 14 eines Photo­ transistors 15 des ersten Optokopplers 12-1 liegt auf Masse und ein Kollektoranschluß 16 des Phototransistor 15 des ersten Optokopplers 12-1 ist mit einem ersten An­ schluß der Photodiode 13 des zweiten Optokopplers 12-2 verbunden. Der andere Anschluß der Photodiode 13 des zweiten Optokopplers 12-2 ist über den zugehörigen Wi­ derstand 11 mit dem zweiten Signalalleingang 10-2 ver­ knüpft. In gleicher Weise sind Kollektor- und Emitter­ anschlüsse 14, 16 des Phototransistors 15 des zweiten Optokopplers 12-2, der dritte Signaleingang 10-3 mit zu­ gehörigem Widerstand 11 und die Photodiode 13 des dritten Optokopplers 12-3 verknüpft.

Der Emitteranschluß 14 des dritten Optokopplers 12-3 liegt ebenfalls auf Masse und der Kollektoranschluß 16 des dritten Optokopplers 12-3 ist mit Basisanschlüs­ sen eines ersten und eines zweiten Transistors 30 und 31 der Verstärkerschaltung 3 verbunden. Eine Versorgungs­ spannung U _v liegt an einem Anschluß eines Widerstandes 32 und einem Kollektoranschluß des Transistors 30 an. Ein anderer Anschluß des Widerstandes 32 ist mit den Basis­ anschlüssen der Transistoren 30, 31 und mit dem Kollek­ toranschluß 16 des dritten Optokopplers 12-3 verbunden. Die Emitteranschlüsse der Transistoren 30, 31, die den Ausgang der Verstärkerschaltung 3 bilden, sind mit einem Anschluß eines Trennkondensators 51 der Ausgangsschaltung 5 verknüpft. Der andere Anschluß des Trennkondensators 51 ist mit der Primärseite eines Wechselstromübertragers 52 in Form eines Transformators verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 52 ist an einen als Brückengleich­ richter ausgebildeten Gleichrichter 53 mit einem Sieb­ kondensator 54 angeschlossen. Der Ausgang des Brücken­ gleichrichters 53 bildet den Ausgang 50 der fehlersiche­ ren UND-Schaltung.

Wird nun die Wechselspannungsquelle 2 in Betrieb genommen und liegt gleichzeitig am ersten Signaleingang 10-1 ein logisch hoher Pegel, d. h. die Versorgungsspannung U _V an, so wird von der Photodiode 13 des ersten Optokopplers 12-1 mit der Frequenz der Wechselspannungsquelle 2 Licht emittiert. Immer dann, wenn dieses Licht auf den Photo­ transistor 15 des ersten Optokopplers 12-1 trifft, wird dieser leitend. Liegt nun gleichzeitig auf dem zweiten Signaleingang 10-2 der UND-Verknüpfungslogik 1-1 ein ho­ her Signalpegel bzw. eine logische "1", so fließt über den Widerstand 11 die Photodiode 13 des zweiten Opto­ kopplers 12-2 und den Phototransistor 15 des ersten Op­ tokopplers 10-1 ein Wechselstrom mit der Frequenz der Wechselspannungsquelle 2, so daß die Photodiode 13 des zweiten Optokopplers 12-2 ebenfalls mit der Frequenz der Wechselspannungsquelle 2 Licht emittiert. In gleicher Weise emittiert auch die Photodiode 13 des dritten Opto­ kopplers 12-3 Licht, wenn am dritten Signaleingang 10-3 der UND-Verknüpfungslogik 1-1 eine logische "1" vorliegt. Dieses Wechsellicht bewirkt, daß über den Phototransistor 15 des dritten Optokopplers 12-3 ein Wechselstrom fließt. Verstärkerschaltung 3 verstärkt und gelangt über den Trennkondensator 51 zu dem Transformator 52. Die auf der Sekundärseite des Transformators 52 erzeugte Spannung wird in dem Gleichrichter 53 gleichgerichtet und mit dem Siebkondensator 54 geglättet, so daß am Ausgang 50 der fehlersicheren Logikschaltung ein Gleichstromsignal vor­ liegt, was gleichbedeutend ist mit einem logisch hohen Pegel bzw. einer logischen "1". Am Ausgang 50 der feh­ lersicheren UND-Schaltung liegt somit dann und nur dann ein Gleichspannungspegel und damit eine logische "1" vor, wenn die Wechselspannungsquelle 2 Wechselspannung liefert und wenn an den Signaleingängen 10-1, 10-2 und 10-3 der UND-Verknüpfungslogik 1-1 jeweils eine logische "1" an­ liegt was nur der Fall ist wenn kein Bauteil ausgefallen ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung, eine fehlersichere NOR-Schaltung. Gleiche Komponenten der fehlersicheren NOR-Schaltung sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in der UND-Schaltung nach Fig. 1 bezeichnet. Die Kollektoranschlüsse 14 der Phototran­ sistoren 15 der Optokoppler 12-1, 12-2, 12-3 und eine Verstärkerschaltung 3′ werden parallel mit der Versor­ gungsspannung U _V versorgt. Jeweils ein Anschluß der Photodioden 13 ist mit den Signaleingängen 10-1, 10-2, 10-3 einer NOR-Verknüpfungslogik 1-2 verbunden. Der an­ dere Anschluß der Photodiode 13 des ersten Optokopplers 12-1 ist mit einem Ausgangsanschluß der als Rechteckge­ nerator ausgebildeten Wechselspannungsquelle 2 verbunden und der andere Ausgang dieser Wechselspannungsquelle 2 liegt auf Masse. Die Emitteranschlüsse 16 der Phototran­ sistoren 15 des ersten und zweiten Optokopplers 12-1 und 12-2 sind mit einem Anschluß der Photodioden 13 des zweiten und dritten Optokopplers 12-2 und 12-3 verbunden. Der Emitteranschluß 16 des Phototransistors 15 des drit­ ten Optokopplers 12-3 ist mit den Basisanschlüssen vom ersten und zweiten Transistor 30′ und 31′ und mit einem Anschluß eines Widerstands 32′ der Verstärkerschaltung 3′ verbunden. Der Aufbau der Verstärkerschaltung 3′ stimmt im wesentlichen mit dem Aufbau der Verstärkerschaltung 3 der fehlersicheren UND-Schaltung nach Fig. 1 überein, wobei lediglich die Polarität vertauscht ist.

Der Pegel der positiven Versorgungsspannung U _V stellt den hohen logischen Pegel "1" dar und eine Spannung von 0 Volt bzw. die Masse stellt die logische "0" dar. Wenn die Wechselspannungsquelle 2 Wechselspannung liefert, kann über die Photodiode 13 des ersten Optokopplers 12-1 nur dann ein Wechselstrom fließen, wenn am ersten Signal­ eingang 10-1 der NOR-Verknüpfungslogik 1-2 eine logi­ sche "0" liegt. Würde am ersten Signaleingang 10-1 eine logische "1" vorliegen, so würde die Photodiode 13 des ersten Optokopplers 12-1 sperren. Das von der Photodiode 13 des ersten Optokopplers 12-1 emittierte Licht taktet den Phototransistor 15 des ersten Optokopplers 12-1, so daß über diesen Phototransistor und die Photodiode 13 des zweiten Optokopplers 12-2 ein Wechselstrom fließt, falls am zweiten Signaleingang 10-2 der NOR-Verknüpfungslogik 1-2 eine logische "0" anliegt. In gleicher Weise kann über den Phototransistor 15 des dritten Optokopplers 12-3 ein Strom fließen, wenn am dritten Signaleingang 10-3 der NOR-Verknüpfungslogik 1-2 eine logische "0" anliegt. Der von dem Strom über den Phototransistor 15 des dritten Optokopplers 12-3 verursachte Spannungsabfall wird in der Verstärkerschaltung 3′ verstärkt und über den Trennkon­ densator 51 der Primärseite des Transformators 52 zuge­ führt. Die dadurch auf der Sekundärseite des Transforma­ tors 52 induzierte Spannung wird in dem Gleichrichter 53 gleichgerichtet und durch den Siebkondensator 54 ge­ glättet, so daß am Ausgang 50 der fehlersicheren Lo­ gikschaltung ein Gleichspannungssignal als logische "1" vorliegt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung, wobei die Verknüpfungslogik als ODER-Logik 1-3 ausgeführt ist. Die Wechselstromquelle 2 ist über einen Widerstand 17 sowie direkt mit den in Reihe ge­ schalteten Photodioden 13 des ersten, zweiten bis n-ten Optokopplers 12-1, 12-2 bis 12-n verbunden. Die Kollek­ toranschlüsse 16 der Optokoppler 12-1, 12-2 . . . 12-n sind unmittelbar mit den Signaleingängen 10-1, 10-2, . . . 10-n der ODER-Verknüpfungslogik 1-3 verbunden. Die Emitter­ anschlüsse der Phototransistoren 15 der Optokoppler 12-1, 12-2, . . . 12-n sind unmittelbar mit einem Anschluß eines ersten Widerstandes 40 einer Verstärkerschaltung 4 ver­ bunden. Der andere Anschluß des Widerstandes 40 ist mit einem Anschluß eines zweiten Widerstandes 41 und mit dem Basisanschluß eines ersten Transistors 42 verbunden. Ein Kollektoranschluß des ersten Transistors 42 ist mit Ba­ sisanschlüssen von zweiten und dritten Transistoren 43 und 44 und mit einem Anschluß eines dritten Widerstandes 45 verbunden. An dem anderen Anschluß des dritten Wider­ standes 45 sowie am Kollektoranschluß des dritten Tran­ sistors 44 liegt eine Versorgungsspannung U _v an. Ein Anschluß des zweiten Widerstandes 41 liegt zusammen mit dem Emitteranschluß des ersten Transistors 42 und dem Kollektoranschluß des zweiten Transistors 43 auf Masse. Die Emitteranschlüsse des dritten und zweiten Transistors 44 und 43 sind mit einem Trennkondensator 61 einer nur auf Wechselspannung ansprechenden Ausgangsschaltung 6 der fehlersicheren ODER-Schaltung verbunden. Der andere An­ schluß des Siebkondensators 61 ist mit der Primärwick­ lung eines Transformators 62 verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 62 ist über einen Siebkondensator 64 und eine Diode 65 mit dem Ausgang 60 der fehlersicheren ODER-Schaltung verbunden.

Wird der Stromkreis bestehend aus der Wechselspannungs­ quelle 2, dem Widerstand 17 und den in Reihe geschalteten Dioden 13 mit einer Wechselspannung der Frequenz f _o beaufschlagt, werden die Optokoppler 12-1, 12-2 . . . 12-n periodisch mit der Frequenz f _o durchgeschaltet. Liegt gleichzeitig wenigstens an einem der Signaleingänge 10-1, 10-2 . . . 10-n ein logisch hoher Pegel an, so fließt über die Phototransistoren 15 ein Wechselstrom mit der Fre­ quenz f _o und der daraus am zweiten Widerstand der Ver­ stärkerschaltung 4 resultierende Spannungsabfall wird in der Verstärkerschaltung 4 verstärkt und gelangt über den Trennkondensator 61, den Transformator 62, die Diode 65 und den Siebkondensator 64 an den Ausgang 60 der fehler­ sicheren ODER-Schaltung.

In Fig. 4 ist eine fehlersichere NAND-Schaltung mit ei­ ner NAND-Verknüpfungslogik 1-4 dargestellt. Die NAND- Verknüpfungslogik 1-4 unterscheidet sich von der ODER- Verknüpfungslogik 1-3 nach Fig. 3 lediglich dadurch, daß anstelle der Kollektoranschlüsse 16 der Phototransisto­ ren 15 der Optokoppler 12-1, 12-2 . . . 12-n die Emitter­ anschlüsse 14 der Phototransistoren 15 unmittelbar mit den Signaleingängen 10-1, 10-2 . . . 10-n verbunden sind, während die Kollektoranschlüsse 16 der Optokoppler an­ stelle der Emitteranschlüsse 14 mit einer Verstärker­ schaltung 4′ verbunden sind. Der Aufbau der Verstärker­ schaltung 4′ mit ersten, zweiten und dritten Widerständen 40′, 41′, 45′ und ersten, zweiten und dritten Transisto­ ren 42′, 43′ und 44′ entspricht der Verstärkerschaltung der ODER-Schaltung nach Fig. 3 und ist lediglich der un­ terschiedlichen Polarität der Signale angepaßt. Die Aus­ gangsschaltung 5 der NAND-Schaltung nach Fig. 4 ist identisch mit der Ausgangsschaltung der ODER-Schaltung nach Fig. 3.

Auch die Funktionsweise der NAND-Verknüpfungslogik 1-4 stimmt mit der Funktionsweise der ODER-Verknüpfungslogik 1-3 überein, lediglich die Polarität der Signale ist um­ gekehrt.

Betreibt man die NAND-Verknüpfungslogik 1-4 oder die NOR-Verknüpfungslogik 1-2 lediglich mit einem Signalein­ gang, so erhält man zwei Möglichkeiten einen fehlersi­ cheren Inverter zu realisieren.

Bei allen genannten logischen Grundschaltungen gemäß den Fig. 1 bis 4 ist sichergestellt, daß bei Ausfall irgend­ eines Bauteils die Logikschaltung in den "sicheren" Zu­ stand übergeht, d. h., daß am Ausgang der Logikschaltung ein niedriger Spannungspegel bzw. eine logische "0" vor­ liegt. Durch entsprechende Dimensionierung der nur auf Wechselstrom ansprechenden Ausgangsschaltung und durch die Verwendung einer hohen Taktfrequenz f _o der Wechsel­ spannungsquelle wird erreicht, daß eine fehlerhaft auf­ tretende Wechselspannung mit Netzfrequenz am Ausgang der Logikschaltung keinen aktiven Zustand, bzw. eine logische "1", erzeugen kann. Der Transformator in der Ausgangs­ schaltung ist konstruktiv so ausgebildet, daß zwischen Primär- und Sekundärwicklung keine leitende Verbindung entstehen kann. Beispielsweise werden die zwei Wicklungen räumlich getrennt angeordnet, so daß nur eine induktive Kopplung möglich ist. Auch mit einer entsprechenden Iso­ lierwicklung kann erreicht werden, daß zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators keine galvanische Verbindung entsteht.

Die Optokoppler sind konstruktiv so ausgebildet, daß bei Defekten nie eine galvanische Verbindung zwischen Photo­ diode und Phototransistor entstehen kann. Bei der elek­ trischen Schaltungsauslegung wird durch einen ausrei­ chenden Abstand der Leiterbahnen, durch eine Masseleitung zwischen zwei Potential führenden Leitungen und durch Versehen der Platine mit einem isolierenden Abdecklack erreicht, daß Kurzschlüsse mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit verhindert werden.

Unter Beachtung dieser konstruktiven Maßnahmen ist es nahezu unmöglich, daß bei Ausfall irgendeines Bauteils in den fehlersicheren Logikschaltungen eine logische "1" am Ausgang vorliegen kann. Beispielsweise erreicht den Wechselstromübertrager 37 keine Wechselspannung, so daß am Ausgang eine logische "0" vorliegt, wenn

• - einer der Widerstände auslötet,
• - einer der Widerstände hochohmig wird,
• - eine Photodiode ausfällt, so daß Dauerlicht vorliegt,
• - eine Photodiode ausfällt, so daß kein Licht gesendet wird,
• - einer der Transistoren kurzschließt,
• - einer der Transistoren im Durchlaßkreis hochohmig wird,
• - die Versorgungsspannung U _V ausfällt.

Ebenfalls liegt am Ausgang der fehlersicheren Logik­ schaltungen eine logische "0" vor, wenn auf der Primär­ seite oder der Sekundärseite des Transformators Win­ dungsschluß auftritt, der Gleichrichter defekt wird, der Siebkondensator kurzschließt usw.

Verwendet man Optokoppler mit einem Stromübertragungs­ verhältnis größer 1, so können wesentlich mehr als drei Verknüpfungsstufen realisiert werden. Ein besonderer Vorteil in der Verwendung von Optokopplern bei fehlersi­ cheren Logikschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt auch darin, daß von Stufe zu Stufe bzw. von Opto­ koppler zu Optokoppler keine Schwächung des Signals auf­ tritt.

Besonders vorteilhaft lassen sich die fehlersicheren Lo­ gikschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Alarmfunktionstest der Sicherheitseinrichtungen von me­ dizinischen Geräten, insbesondere bei Dialysemaschinen oder ähnlichen Anlagen wie z. B. einem Zellseparator, verwenden.

In Fig. 5 ist eine Alarmzusammenfassung für einen Zell­ separator mit einer fehlersicheren UND-Schaltung 1-10 und einer fehlersicheren NOR-Schaltung 1-20 für jeweils acht logisch zu verknüpfende Signale dargestellt. Diese werden über Signaleingänge 10-1 bis 10-8 über entsprechende Wi­ derstände 11 bzw. 11′ den jeweiligen Optokopplern 12-1′ bis 12-8′ der NOR-Verknüpfungslogik 1-20 und Optokopplern 12-1 bis 12-8 der UND-Verknüpfungslogik 1-10 herzuge­ führt. Die UND-Verknüpfungslogik 1-10 stimmt mit der UND-Verknüpfungslogik 1-1 nach Fig. 1 überein. Die NOR- Verknüpfungslogik 1-20 unterscheidet sich von der NOR- Verknüpfungslogik nach Fig. 2 lediglich dadurch, daß in der Reihenschaltung der Optokoppler das logisch zu ver­ knüpfende Signal erst den Phototransistoren der Optokop­ pler und nicht zuerst den Photodioden der Optokoppler zugeführt wird.

Darüber hinaus weist die NOR-Verknüpfungslogik 1-20 auch noch einen Signalausgang 18 zum Anschluß einer optischen Anzeige auf. Der hierfür verwendete Optokoppler U 8 liefert dann kein Emitter-Ausgangssignal an die Anzeige, wenn nur einer der Signalanschlüsse 10-1 bis 10-8 einen hohen Pegel bekommt, was einen Fehler bedeuten würde.

Die der NOR-Verknüpfungslogik 1-20 nachgeschaltete Ver­ stärkerschaltung 4′ stimmt mit der mit demselben Bezugs­ zeichen bezeichneten Verstärkerschaltung nach Fig. 4 überein, lediglich zwischen dem Kollektor des ersten Transistors 42′ und Masse ist ein Kondensator 46′ ge­ schaltet. Die der UND-Verknüpfungslogik 1-10 nachge­ schaltete Verstärkerschaltung 4 stimmt mit der Verstär­ kerschaltung 4 nach Fig. 3 überein, lediglich zwischen Masse und dem Kollektoranschluß des dritten Transistors 44 ist ein Kondensator 46 geschaltet. Die beiden den Verstärkerschaltungen 4′ und 4 nachgeschalteten identi­ schen Ausgangsschaltungen 5 stimmen ebenfalls mit den Ausgangsschaltungen aus den Fig. 1 und 2 überein, wobei dem Ausgang zusätzlich noch ein Widerstand 55 parallel geschaltet ist.

Sowohl die UND-Verknüpfungslogik 1-10 als auch die NOR- Verknüpfungslogik 1-20 werden durch die Wechselspan­ nungsquelle 2 über Dioden 20 und 21 mit der nötigen Wechselspannung beaufschlagt. In Betriebsfall werden die Signaleingänge 10-1 bis 10-8 der Alarmzusammenfassung des Zellseparators nach Fig. 5 mit den Alarmschaltkreisen der zu überwachenden Sicherheitseinrichtungen verbunden. Diese Alarmschaltkreise liefern eine logische "1", wenn die überwachten Komponenten zu einem Fehlertest einge­ schaltet werden.

Zur Überprüfung der Alarmschaltkreise muß bei medizini­ schen Geräten vor Beginn der Behandlung ein Alarmfunk­ tionstest durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden Geräteteile, die mit den Alarmschaltkreisen überwacht werden Bedingungen ausgesetzt, bei denen alle Alarm­ schaltkreise ansprechen müssen, so daß der logische Pegel an allen Signaleingängen 10-1 bis 10-8 von logisch "0" auf "1" ansteigen muß. Damit muß aber auch das Ausgangs­ signal 50-1 der Ausgangsschaltung der UND-Verknüpfungs­ logik 1-10 von logisch "0" auf "1" gehen, wodurch ange­ zeigt ist, daß sämtliche Alarmschaltkreise funktionieren. Wird jedoch auf normalen Betrieb umgeschaltet, so werden alle Signaleingänge 10-1 bis 10-8 auf Pegel 0 gesetzt. Damit wird die NOR-Schaltung aktiviert und die Anzeige am Signalausgang 18 meldet ordnungsgemäßen Betrieb.

Tritt jedoch ein Defekt auf, beispielsweise ein Leiter­ bahnbruch, steigt das Ausgangssignal des entsprechenden Alarmkreises auf "1" an. Im normalen Betriebszustand des Zellseparators liegt auf sämtlichen Signaleingängen 10-1 bis 10-8 eine logische 0, so daß am Ausgang 50-1 der Ausgangsschaltung der UND-Verknüpfungslogik 1-10 eine logische 0 und am Ausgang 50-2 der NOR-Schaltung eine logische 1 vorliegt. Würde auf einen der Signaleingänge statt einer logischen "0" eine logische "1" anliegen, würde auch am Ausgang 50-1 der Ausgangsschaltung der UND-Verknüpfungslogik 1-10 das Ausgangssignal von logi­ sche "0" auf "1" ansteigen, und am Ausgang 50-2 der NOR- Schaltung eine logische 0 erscheinen, was als Alarm in­ terpretiert wird.

Natürlich kann für jeden gewünschten Verwendungszweck der logische Pegel am Signaleingang statt eines niedrigen Pegels auch mit einem hohen Pegel betrieben werden. In diesem Fall werden die Signaleingänge der fehlersicheren Logikschaltungen mit den Alarmschaltkreisen der zu über­ wachenden Sicherheitseinrichtungen verbunden. Diese Alarmschaltkreise liefern eine logische "1", wenn die überwachten Komponenten fehlerfrei arbeiten. Tritt ein Defekt auf, was beispielsweise auch ein Leiterbahnbruch sein kann, sinkt das Ausgangssignal des entsprechenden Alarmkreises auf "0" ab. Im normalen Betrieb sind die Ausgänge dieser Alarmschaltkreise mit den Signaleingängen der fehlersicheren UND-Schaltung verbunden, bei der das Absinken des Ausgangssignals von logisch "1" auf "0" als Alarm interpretiert wird. Zur Überprüfung der Alarm­ schaltkreise muß bei medizinischen Geräten vor Beginn der Behandlung ein Alarmfunktionstest durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden die Ausgänge der Alarmschaltkreise mit den Signaleingängen der fehlersicheren NOR-Schaltung verbunden. Dann wird das medizinische Gerät Bedingungen ausgesetzt, bei denen alle Alarmschaltkreise ansprechen müssen, so daß der logische Pegel an allen Signaleingän­ gen der fehlersicheren NOR-Schaltung von logisch "1" auf "0" absinken muß. Tritt dieser Zustand bei sämtlichen angeschlossenen Alarmschaltkreisen auf, bewirkt dies einen Wechsel des logischen Pegels am Ausgang der NOR- Schaltung von logisch "0" auf "1", wodurch angezeigt ist, daß sämtliche Alarmschaltkreise funktionieren.

Claims (6)

1. Fehlersichere UND- oder NOR-Logikschaltung mit einer wenigstens einen Signaleingang und einen Signalaus­ gang aufweisenden Verknüpfungslogik,
die Koppelelemente aufweist, über die der wenigstens eine Signaleingang der Verknüpfungslogik entsprech­ end der realisierten Logikschaltung mit dem Signal­ ausgang der Verknüpfungslogik verbunden ist,
einer Wechselspannungsquelle, die mit der Verknüpf­ ungslogik verbunden ist und diese entsprechend der alternierenden Spannung aktiviert,
einem nur auf Wechselspannung ansprechenden Bauteil das mit dem Ausgang der Verknüpfungslogik verbunden ist, und
Optokopplern als Koppelelemente der Verknüpfungs­ logik, dadurch gekennzeichnet,
daß je Signaleingang (10-1 bis 10-n) ein Optokop­ ler (12-1 bis 12-n) vorgesehen ist,
wobei die Signaleingänge (10-1 bis 10-n) den Ka­ thoden oder Anoden der Photodioden (13) der Optokop­ pler (12-1 bis 12-n) zugeführt werden,
daß die Optokoppler (12-1 bis 12-n) in Reihe ge­ schaltet sind, wobei der Phototransistor (15) des vorhergehenden Optokopplers mit der Photodiode (13) des nachfolgenden Optokopplers in Reihe geschaltet ist, und
daß die Photodiode (13) des ersten Optokopplers (12- 1) mit Wechselspannung aus der Wechselspannungs­ quelle (2) beaufschlagt wird und der Phototransistor des letzten Optokopplers (12-n) den Signalausgang der Verknüpfungslogik (1-1; 1-2) bildet.

2. Fehlersichere ODER- oder NAND-Logikschaltung mit
einer wenigstens einen Signaleingang und einen Signalausgang aufweisenden Verknüpfungslogik, die Koppelelemente aufweist, über die der wenigstens eine Signaleingang der Verknüpfungslogik entsprechend der realisierten Logikschaltung mit dem Signalausgang der Verknüpfungslogik verbunden ist,
einer Wechselspannungsquelle, die mit der Verknüpf­ ungslogik verbunden ist und diese entsprechend der alternierenden Spannung aktiviert,
das mit dem Ausgang der Verknüpfungslogik verbunden ist, und
Optokopplern als Koppelelemente der Verknüpfungslo­ gik, dadurch gekennzeichnet,
daß je Signaleingang (10-1 bis 10-n) ein Optokop­ pler (12-1 bis 12-n) vorgesehen ist, daß die Signaleingänge den Kollektoren oder Emittern der Phototransistoren (15) der Optokoppler zugeführt werden,
daß die Phototransistoren (15) der Optokoppler in einem Parallelschaltkreis angeordnet sind und daß die Photodioden (13) der Optokoppler in Reihe in bezug aufeinander und zu der Wechselspannungsquelle (2) geschaltet sind.

3. Fehlersichere Logikschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verknüpfungslogik (1-1; 1-2; 1- 3; 1-4) und der nur auf Wechselstrom ansprechenden Ausgangsschaltung (5; 6) eine Verstärkungsschaltung (3; 3′; 4; 4′) geschaltet ist.

4. Fehlersichere Logikschaltung nach einem der An­ sprüche 1--3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen die Verknüpfungs­ logik (1-1; 1-2; 1-3; 1-4) und der nur auf Wechselstrom ansprechenden Ausgangsschaltung (5; 6) ein Trennkondensator (61; 51) geschaltet ist.

5. Fehlersichere Logikschaltung nach einem der An­ sprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgangsschaltung (5) einen Gleichrichter (53) aufweist.

6. Fehlersichere Logikschaltung nach einem der An­ sprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine Tandemanordnung aus einer UND- und einer NOR-Logik­ schaltung (1-10; 1-20), welchen Logikschaltungen die Signaleingänge (10-1 bis 10-8) gemeinsam zugeführt werden und die einen Anzeige-Optokoppler (U 8) als letzten Optokoppler in der Kette der Ver­ knüpfungslogik aufweisen, der sowohl der Signalüber­ tragung zu der nur auf Wechselstrom ansprechenden Ausgangsschaltung (5) als auch als eine Alarmanzeige (18) dient.