DE3519800C2 - Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung eines programmierbaren Controllers mit einem Überstromschutz - Google Patents
Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung eines programmierbaren Controllers mit einem ÜberstromschutzInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein-/Ausgabe-Steuer
schaltung eines programmierbaren Controllers mit einem
Überstromschutz für die Ausgabe-Steuerschaltung.
Die Prozeßsteuerung mit einem programmierbaren Controller
beinhaltet das Erfassen von Eingangssignalen aus verschie
denen Prozeßfühlern und das Abgeben von Ausgangssignalen an
gesteuerte Elemente des Prozesses. Der Prozeß wird daher in
Abhängigkeit von einem gespeicherten Programm und von Pro
zeßzuständen gesteuert, die durch die Fühler berichtet wer
den. Zahlreiche und verschiedene Prozesse unterliegen
selbstverständlich einer solchen Steuerung, und der sequen
tielle Betrieb von industriellen Prozessen, Förderanlagen
sowie chemischen, Erdöl- und metallurgischen Prozessen kann
beispielsweise vorteilhafterweise durch programmierbare
Controller gesteuert werden.
Programmierbare Controller sind eine relativ junge Entwick
lung. Ein bekannter programmierbarer Controller enthält eine
Zentraleinheit (CPU), die, grob gesagt, aus einem Daten
prozessor zum Ausführen des gespeicherten Programms, einer
Speichereinheit ausreichender Größe zum Speichern des Pro
gramms und der sich auf den Status der Eingänge und Ausgänge
beziehenden Daten und einer oder mehreren Stromversorgungen
aufgebaut ist. Darüber hinaus bildet eine Ein-/Ausgabe(E/A)-
Steuerschaltung die Schnittstelle zwischen der Zentraleinheit und
den Eingabevorrichtungen sowie den gesteuerten Elementen
des Prozesses, der gesteuert wird.
Ein-/Ausgabe-Steuerschaltungen sind seit dem Aufkommen von programmierbaren
Controllern relativ unverändert geblieben und bedürfen
am dringendsten einer Verbesserung. Es sind zwar einige
Fortschritte bei E/A-Steuerschaltungen gemacht worden, die Verbesserungen
bewegen sich aber im allgemeinen auf denselben
Linien, denen in der Vergangenheit gefolgt worden ist. Beispielsweise
beschreibt die US-PS 4 293 924 eine E/A-Steuerschaltung,
bei der die Dichte der Schnittstelle vergrößert wird. Eine
weitere Möglichkeit, die in der US-PS 4 247 882 beschrieben
ist, besteht darin, sich auf die Verbesserung der Unterbringung
der Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung zu konzentrieren. Mit der
fortschreitenden Komplexität der Prozesse, die gesteuert
werden müssen, und mit einem Bedarf an einem größeren Austausch
von Informationen zwischen dem Prozeß und der Zentraleinheit
sind jedoch andere Verbesserungsmöglichkeiten
der E/A-Probleme notwendig geworden.
Aus der DE 33 29 766 A1, ist eine Eingabe-/Ausgabe-Steuerschaltung
eines programmierbaren Controllers mit einer angeschlossenen Last bekannt.
Ferner ist aus der DE 32 28 305 eine Eingabe-/Ausgabe-Steuerschaltung
eines programmierbaren Controllers mit einer Überstromüberwachung der
Ausgabe-Steuerschaltung bekannt.
Eine herkömmliche E/A-Steuerschaltung besteht aus einer Anzahl von
einzelnen E/A-Punkten, von denen jeder dazu bestimmt ist,
entweder das Signal aus einer Eingabevorrichtung (z. B. einem
Begrenzungsschalter, einem Druckschalter, usw.) zu empfangen oder
ein Steuersignal an eine Ausgabevorrichtung (z. B. einen
Elektromagnet, einen Motoranlasser, usw.) abzugeben, je
nach dem, wie die Schaltungsanordnung für den besonderen
E/A-Punkt aufgebaut ist. Das heißt, ein E/A-Punkt ist zweckbestimmt
entweder ein Eingabepunkt oder ein Ausgabepunkt
und kann nicht ohne weiteres von einem in den anderen Verwendungszweck
umgewandelt werden.
Ein Problem bei den bekannten E/A-Steuerschaltungen (insbesondere
dann, wenn diese bei einem komplexen Prozeß benutzt werden)
sind die hohen Installationskosten. E/A-Moduln oder -Schal
tungskarten werden typisch in Kartengestellen oder -käfigen
untergebracht. Zur Steuerung eines umfangreichen oder komplexen
Prozesses muß eine große Anzahl von E/A-Punkten in jedem
Gestell oder Käfig vorgesehen werden. Das bringt notwendi
gerweise große Verdrahtungskosten mit sich (sowohl für die
Arbeit als auch für die Materialien), da Drähte von sämt
lichen Ein- und Ausgabe-Vorrichtungen in das E/A-Gestell
geführt werden müssen.
Weitere Probleme ergeben sich dann aus der Verwendung eines
großen E/A-Gestells, weil es häufig schwierig ist, sämtliche
Drähte in das Gestell zu führen, um die Anschlüsse herzu
stellen. Obgleich es bekannt ist, wenigstens einen Teil
einer E/A-Steuerschaltung in einem Gehäuse oder Gestell entfernt
von der CPU vorzusehen (um zu versuchen, die E/A näher zu
dem Prozeß zu bringen, der gesteuert wird), sind diese Proble
me noch nicht beseitigt, da es eine Konzentration von Ein-/
Ausgabe-Verdrahtung an einem einzelnen (obgleich entfernten)
Ort gibt. Weitere Komplikationen ergeben sich bei der Wär
meableitung in einer konzentrierten E/A-Steuerschaltung; aus
diesem Grund ist es häufig notwendig, eine E/A-Steuerschaltung mit
weniger als ihrer optimalen Nennleistung zu betreiben.
Ein weiteres Problem bei gegenwärtigen E/A-Steuerschaltungen ist,
daß bei ihnen die Diagnose und Fehlersuche schwierig sind,
und zwar ungeachtet dessen, ob die Störungen in dem program
mierbaren Controller selbst oder in dem gesteuerten Prozeß
auftreten. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die meisten On-
Line-Ausfälle, die bei einem Controller auftreten, in der
E/A-Steuerschaltung auftreten. Der CPU-Teil ist nun äußerst verfei
nert, denn er hat in großem Maße von den Fortschritten pro
fitiert, die beispielsweise in der Mikroprozessortechnolo
gie und in der Datenverarbeitung gemacht worden sind. Wenn
ein elektrischer Ausfall auftritt, ist jedoch eine frühe
Erkennung und Diagnose der genauen Art des Problems häufig
kritisch. Es ist natürlich erwünscht, ein ausgefallenes
Teil durch eine frühzeitige Warnung statt erst dann zu er
kennen, nachdem ein gewisser Teil des Prozesses außer Kon
trolle ist.
Bei den bekannten E/A-Steuerschaltungen ist das frühe Erkennen von
Ausfällen schwierig, und selbst dann, wenn ein Ausfall gemeldet
wird, kann es sein, daß sein Ort und seine Art nicht ohne
weiteres zu erkennen sind. In vielen Fällen ist es sogar
schwierig, Controller-E/A-Ausfälle von ausgefallenen Ele
menten (z. B. Motoren, Druckknöpfen, usw.) in dem Prozeß zu
trennen. Diagnosemerkmale, insbesondere für die Controller-
E/A-Steuerschaltung fehlen einfach. Verbesserung bei der Diagnose
und bei der Verhinderung von E/A-Steuerschaltung-Ausfällen werden des
halb eifrig gesucht.
Das Problem der Diagnose von Ausfällen wird manchmal er
schwert, weil jeder E/A-Punkt gewöhnlich durch eine Siche
rung geschützt ist. Die Sicherung schützt zwar den besonde
ren E/A-Modul vor Überstrom, häufig vergrößert sie jedoch
das Problem. Beispielsweise kann ein bloßer transienter
Strom die Sicherung zum Durchbrennen bringen, wodurch der
E/A-Punkt vollständig außer Betrieb gesetzt wird, bis der
ausgefallene Punkt lokalisiert und die Sicherung ausge
tauscht werden kann.
Etwas verwandt damit ist das Problem des Austauschens von
Diagnose- und Steuerinformation zwischen einem steuernden
Teil und einem gesteuerten Teil einer E/A-Steuerschaltung. Es kann
beispielsweise vorkommen, daß nichtzentrale E/A-Moduln be
nutzt werden, um eine E/A-Steuerschaltung aufzubauen. In einem sol
chen Fall ist es erwünscht, einfache, zuverlässige Einrich
tungen und Verfahren zum Austauschen von solcher Information
zur Verfügung zu haben.
Noch ein weiterer Nachteil von herkömmlichen E/A-Steuerschaltungen
ist, daß (wie oben erwähnt) jeder E/A-Punkt strikt als ein
Eingabepunkt oder als ein Ausgabepunkt arbeitet. Derselbe
Punkt kann nicht ohne weiteres von dem einen Verwendungs
zweck in den anderen umgewandelt werden. Der Benutzer eines
programmierbaren Controllers ist deshalb gezwungen, Eingabe-
und Ausgabe-Funktionen separat zu wählen, und zwar auf der
Basis einer Anfangsschätzung des Bedarfes. Es gibt einen
entschiedenen Mangel an Flexibilität hinsichtlich eines un
vorhergesehenen zukünftigen Bedarfs. Da die E/A-Punkte ty
pisch in Gruppen verfügbar sind (z. B. sechs oder acht Punk
te pro Schaltungskarte), gibt es außerdem häufig eine
große Anzahl von unbenutzten E/A-Punkten in einer Steuerschaltung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ein-/Ausgabe-
Steuerschaltung zu schaffen, bei der jeder E/A-Punkt
wahlweise entweder als ein Eingabepunkt oder als ein
Ausgabepunkt arbeiten kann und bei dem jeder E/A-Punkt
gegen Überstrom- und Überspannungszustände selbstgeschützt
ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß jeder E/A-Punkt selbstgeschützt ist, ohne daß
Sicherungen oder Leistungsschalter benutzt werden, und
für jeden E/A-Punkt kontinuierlich und automatisch eine Ausfalldiagnose
sowohl innerhalb der E/A-Steuerschaltung als auch
innerhalb des gesteuerten Prozesses gemacht wird und erkannte
Ausfälle identifiziert und automatisch gemeldet werden.
Die E/A-Steuerschaltung gemäß der Erfindung ist
einfach und wirtschaftlich zu verdrahten
und zu gebrauchen und weist einzelne E/A-Punkte in nichtzentralen
Gruppen oder Moduln zur Anordnung in unmittelbarer
Nähe des Prozesses oder eines besondere Teils des Prozesses,
der zu steuern ist, auf. Ferner enthält die erfindungsgemäße
E/A-Steuerschaltung Einrichtungen
zur Überwachung , Steuerung und Fehlersuche jedes
E/a-Punktes unabhängig von der herkömmlichen Zentraleinheit.
Der vorzugsweise verwendete
IG (insulated gate)-Transistor kann vorteilhafterweise in seinen
durchgesteuerten und in den Sperrzustand geschaltet werden, um
den Laststrom zu steuern. Die Stromabfühleinrichtung, die den
Emulationsabschnittsstrom abfühlt, liefert ein Signal, welches
den Augenblickslaststrom darstellt. Dieses Signal wird ständig
mit einem vorgewählten Referenzwert verglichen, um ein Diagnosesignal
zu gewinnen, welches angibt, ob der Laststrom größer
als der Referenzwert ist. Dieses Diagnosesignal wird benutzt,
um den IG-Transistor im wesentlichen augenblicklich abzuschalten
oder zu einem gewissen Zeitpunkt, welcher von der Zeitdauer
des Überstroms und von dessen Größe abhängig ist. Weiter liefert
die E-/A-Steuerschaltung nach der Erfindung ein zweites
und ein drittes Diagnosesignal, die angeben, ob der gesamte
Strom des IG-Transistors übermäßig hoch ist, was ein augenblickliches
Abschalten des IG-Transistors erfordert, oder so niedrig,
daß er eine offene oder abgetrennte Belastung anzeigt. Weitere
Diagnosesignale werden erzeugt zum Überwachen der Lastspannung,
der Netzspannung und der Temperatur. Diese Diagnosesignale ermöglichen
das sofortige Erkennen und Lokalisieren eines Fehlerzustands
und können zu einer Zentraleinheit gesendet werden, welche
entfernt von nichtzentralen Ein-/Ausgabe-Moduln angeordnet
ist.
Ausführungsbeispiele der Eingabe-/Ausgabe(E/A)-Steuerschaltung
(nachfolgend E/A-System genannt) gemäß Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines
programmierbaren Controllersystems,
welches ein intelligentes Ein-/Ausgabe-
(E/A)-System nach der Erfindung enthält,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer
möglichen physikalischen Ausführungs
form für einen einzelnen E/A-Modul und
einen Handmonitor, die beide für die
Verwendung in dem E/A-System nach Fig.
1 vorgesehen sind,
Fig. 3 ein Blockschaltbild, das ausführlicher
einen der E/A-Moduln nach Fig. 1 ver
anschaulicht,
Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines
Übertragungsabschnitts und eines Steuer-
und Abfühlabschnitts für einen E/A-
Punkt des in Fig. 3 gezeigten Typs,
die Fig. 5 und 6 Wellenformen, welche die Beziehung
zwischen gewissen Signalen veranschau
lichen, welche für die Schaltungsanord
nung nach Fig. 4 relevant sind,
die Fig. 7A, 7B und 7C Schaltbilder, welche verschiedene Ein-/
Ausgabe-Schaltkreise veranschaulichen,
die bei der E/A-Schaltung nach Fig. 4
verwendbar sind, wobei Fig. 7A eine
Gleichstromquellenschaltung, Fig. 7B
eine Gleichstomsenkenschaltung und Fig.
7C eine Wechselstromschaltung zeigt,
Fig. 8 ein Schaltbild, welches ausführlich
einen Steuer- und Abfühlabschnitt für
den E/A-Punkt nach Fig. 4 zeigt,
die Fig. 9A, 9B und 9C Schaltbilder, welche ausführlich einen
Übertragungsabschnitt für den E/A-
Punkt nach Fig. 4 veranschaulichen,
und
Fig. 10 eine Wahrheitstabelle, die Diagnose-
und Statusdaten zu einem 4-Bit-codier
ten Signal in Beziehung setzt, um die
Verknüpfungslogik in einem Zustandsco
dierer für den Übertragungsabschnitt
nach Fig. 4 zu schaffen.
Der programmierbare Controller nach Fig. 1 enthält eine
Zentraleinheit (CPU) 20, einen Ein-/Ausgabe (E/A)-Controller
22, mehrere Ein-/Ausgabe-Moduln 24-26 und eine Datenübertra
gungsverbindung 28, welche jeden E/A-Modul 24-26 mit dem E/
A-Controller 22 verbindet. Diese Schaltungscomponenten, mit
Ausnahme der CPU 20, bilden insgesamt das Ein-/Ausgabe-
System des Controllers. Die CPU 20 hat im wesentlichen einen
herkömmlichen Aufbau und kann einen oder mehrere Mikropro
zessoren zur Datenhandhabung und Steuerung sowie einen Spei
cher enthalten zur Speicherung von Betriebsprogrammen, von
Ein-/Ausgabe-Daten und von anderen berechneten, Interims-
oder permanenten Daten für die Verwendung bei der Ausführung
des gespeicherten Programms und für die Implementierung der
Steuerung. Darüber hinaus sind weitere herkömmliche Elemente,
wie beispielsweise Stromversorgungen, soweit notwendig vor
gesehen, um die CPU 20 voll funktionstüchtig zu machen. Der
E/A-Controller 22 besorgt die Steuerung von Information,
welche zwischen den verschiedenen E/A-Moduln 24-26 und der
CPU 20 ausgetauscht wird.
Jeder E/A-Modul 24-26 kann separat angeordnet werden, ent
fernt von der CPU 20 und dem E/A-Controller 22 und in unmittel
barer Nähe des Prozesses, der gesteuert wird. Es sind zwar
nur drei E/A-Moduln in Fig. 1 gezeigt, es ist jedoch klar,
daß die tatsächliche Zahl beträchtlich größer sein kann.
Beispielsweise können sechzehn separate E/A-Moduln ohne
weiteres in dem im folgenden beschriebenen System enthalten
sein. Jeder E/A-Modul ist von dem anderen unabhängig, und
jeder kann dafür bestimmt sein, einen Prozeß zu steuern,
der von dem getrennt ist, welcher durch sämtliche anderen
E/A-Moduln gesteuert wird.
In Fig. 1 ist beispielshalber der N-te E/A-Modul 26 zum
Steuern eines verallgemeinerten Prozesses 30 dargestellt.
Die Eingangs- und Ausgangssignale, welche dem Prozeß 30 zu
geordnet sind, werden durch Leiter 32 transportiert, welche
zwischen dem Prozeß 30 und dem E/A-Modul 26 verlaufen. Der
Prozeß 30 kann selbstverständlich praktisch jede Form haben.
In jedem Fall beinhaltet er jedoch verschiedene Fühler,
Schalter, usw. (hier nicht im einzelnen gezeigt) zum Abfüh
len des Status und der Bedingung des Prozesses 30. Die In
formation aus dem Prozeß wird in Form von Eingangssignalen
an den E/A-Modul 26 abgegeben. Der Prozeß 30 beinhaltet
außerdem gesteuerte Elemente (z. B. Pumpen, Motoren, usw. -
ebenfalls nicht dargestellt), welche die Ausgangssignale
aus dem E/A-Modul 26 empfangen und dadurch die Steuerung
des Prozesses 30 bewirken. Auf ähnliche Weise sind die ande
ren E/A-Moduln 24, 25 jeweils mit Eingabe- und Ausgabevor
richtungen und -Anordnungen verbunden, welche dem Prozeß
zugeordnet sind.
Die Datenübertragungsverbindung 28 ist vorzugsweise eine
serielle Verbindung, obgleich eine parallele Übertragung
von Signalen zwischen der CPU 20 und den E/A-Moduln 24-26
ohne weiteres vorgesehen werden kann. In jedem Fall sind
die E/A-Moduln 24-26 für die Kommunikation mit der CPU 20
mit der Übertragungsverbindung 28 verbunden. Die Übertra
gungsverbindung 28 kann ein verdrilltes Leiterpaar, ein
Koaxialkabel oder ein Lichtleitfaserkabel aufweisen, die
alle in Abhängigkeit von Überlegungen hinsichtlich der Ko
sten und der Verfügbarkeit akzeptabel sind.
In Fig. 1 veranschaulicht der E/A-Modul 24 in Blockschalt
bildform den allgemeinen elektronischen Gesamtaufbau jedes
E/A-Moduls.
Es ist ein Mikrocontroller 36 vorgesehen, der ein Schnitt
stellentor zum Austauschen von Information mit der CPU 20
hat und einen zugeordneten Speicher (nicht dargestellt) zur
Implementierung eines gespeicherten Betriebsprogramms ent
hält, gemäß welchem die verschiedenen Elemente der E/A-Moduln
gesteuert und bezüglich auftretenden Fehlern diagnostiziert
werden; mehrere einzelne E/A-Punkte (oder "E/A-Schaltungen")
37-39, von denen jeder wahlweise entweder als Eingabepunkt
oder als Ausgabepunkt betrieben werden kann und einzeln
über Leiter direkt mit Eingabe- oder Ausgabelementen des
gesteuerten Prozesses in Verbindung steht; und einen Leiter
bus 40 zum Verbinden der E/A-Punkte 37-39 mit dem Mikro
controller 36. Die Anzahl der E/A-Punkte 37-39 in jedem be
sonderen E/A-Modul 24-26 hängt von praktischen Überlegungen
ab, wie beispielsweise der Wärmeableitung und den Beschrän
kungen des Mikrocontrollers 36. Beispielsweise hat es sich
jedoch als ziemlich praktisch und zweckmäßig erwiesen, sech
zehn E/A-Punkte pro E/A-Modul vorzusehen.
Zum Überprüfen der Unversehrtheit und der Funktionstüchtig
keit der Eingabe- und Ausgabekomponenten sowie zur Wartung
und Fehlersuche ist eine im folgenden als Monitor bezeichne
te Überwachungsvorrichtung 42 vorgesehen. Der Monitor 42
ist vorzugsweise so groß bemessen, daß er in der Hand gehal
ten werden kann, so daß er leicht und bequem von einem E/A-
Modul zum anderen bewegt werden kann. Er ist für den An
schluß an jeden E/A-Modul durch ein Kabel vorgesehen, das
einen Verbinder aufweist, welcher mit einem weiteren Ver
binder zusammenpaßt, der an dem E/A-Modul befestigt ist.
Das Kabel und die zusammenpassenden Verbinder sind in Fig. 1
schematisch veranschaulicht, welche den Monitor 42 über
ein Schnittstellentor des Mikrocontrollers 36 an den E/A-
Modul 24 angeschlossen zeigt.
Wenn der Handmonitor 42 an einen E/A-Modul angeschlossen
ist, gestattet er, die E/A-Punkte dieses Moduls zu überwa
chen und zu steuern, und liefert eine Anzeige der Diagnose
information, die zu dem Modul gehört. Vorteilhafterweise
erfüllt der Handmonitor 42 diese Funktionen unabhängig von
der Zentraleinheit 20 und sogar auch dann, wenn die CPU 20
nicht vorhanden ist. Der Monitor 42 bewirkt beispielsweise,
daß Ausgangspunkte ein- und ausgeschaltet werden und der
Zustand der Eingangspunkte abgelesen wird. Falls ein Fehler
aufgetreten ist, kann der Monitor 42 außerdem eine Anzeige
über die Art und den Ort des Fehlers liefern. Der Handmoni
tor 42 weist eine Datenanzeigetafel 44 auf, die alphanume
rische Zeichen anzeigt, und einen Satz Tastschalter 46,
welche zur Adreßprogrammierung und zum Bewirken des Betrie
bes der E/A-Moduln 24-26 dienen.
Fig. 2 zeigt bevorzugte körperliche Ausführungsformen für
einen Handmonitor und einen einzelnen E/A-Modul. Der darge
stellte E/A-Modul 51 hat im wesentlichen die Form eines An
schlußblockes, der eine Reihe von Leiterklemmen 53 zum Her
stellen der Verbindung mit den Leitern aufweist, welche die
Verbindung mit den Ein- und Ausgabevorrichtungen des ge
steuerten Prozesses herstellen. Die Klemmen 53 können als
Schraubverbindungen ausgeführt sein, bei denen die Schrau
ben gegen einen Verbindungsdraht oder eine Anschlußöse ange
zogen werden. Jede E/A-Schaltung ist einer entsprechenden
Anschlußverbindung zugeordnet. Darüber hinaus sind Anschlüs
se zugeordnet zum Anschließen einer äußeren Stromquelle
(Wechsel- oder Gleichstromquelle) und zum Herstellen der
Verbindungen mit der Datenübertragungsverbindung, die in
Fig. 1 gezeigt ist. Optische Anzeiger sind in Form von
Leuchtdioden (LEDs) 55 vorgesehen, um den Status jedes E/A-
Punktes anzuzeigen. Weitere Leuchtdioden 57 und 58 zeigen
den Betriebsstatus des Moduls 51 an. Beispielsweise zeigt
die Leuchtdiode 57 an, daß ein Fehlerzustand vorhanden ist
(entweder innerhalb oder außerhalb des Moduls), und die
Leuchtdiode 58 zeigt normale Betriebsbedingungen an. Eine
Buchse 59 ist an dem Modul 51 vorgesehen, in die ein Kabel
stecker 60 paßt, welcher über ein Kabel 61 die Verbindung
mit einem Handmonitor 49 herstellt.
Der dargestellte Handmonitor 49 ist, wie oben und in Verbin
dung mit Fig. 1 beschrieben, in der Lage, den E/A-Modul zu
überprüfen, mit welchem er verbunden ist. Das heißt, der
Handmonitor 49 gestattet, einen E/A-Modul zu betreiben und
sorgfältig zu prüfen, selbst wenn dieser nicht mit einer Zen
traleinheit, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, verbunden ist.
Das Blockschaltbild in Fig. 3 zeigt ausführlicher einen E/A-
Modul 80 (im wesentlichen derselbe wie irgendeiner der Moduln
24-26 in Fig. 1). Der E/A-Modul 80 hat eine Gruppe von acht
gesonderten E/A-Punkten 81-88, von denen jeder Steuer- und
Diagnoseinformationssignale mit einem Mikrocontroller 90
austauscht. Elektrischer Strom, entweder Wechselstrom oder
Gleichstrom, wird an Klemmen H′ und N zugeführt. Die Strom
quelle, die mit den Klemmen H′ und N verbunden ist, liefert
Strom sowohl an eine interne Gleichstromversorgung 94 als
auch an externe Ausgangsbelastungen (z. B. gesteuerte Elemente),
die durch den programmierbaren Controller gesteuert werden,
von welchem der Modul 80 ein Teil ist. Die Stromversorgung
94 ist einfach die Gleichstromversorgung für sämtliche Ele
mente, die in dem E/A-Modul 80 enthalten sind und für ihren
Betrieb Gleichstrom benötigen.
Jeder E/A-Punkt 81-88 ist mit dem Mikrocontroller 90 durch
ein Leiterpaar 95-102 verbunden. Ein Leiter jedes Leiter
paares, der als D-Leitung bezeichnet ist, transportiert
Steuerdaten zu dem zugeordneten E/A-Punkt; der andere Lei
ter, der als M-Leitung bezeichnet ist, transportiert Sta
tus- und Diagnoseinformation von dem E/A-Punkt zu dem Mi
krocontroller 90. Jeder E/A-Punkt 81-88 ist außerdem so an
geschlossen, daß er eine Gleichspannung (z. B. 15 Volt) von
der Stromversorgung 94 empfängt, und jeder E/A-Punkt ist mit
den Stromquellenklemmen H′ und N verbunden. Wenn die externe
Stromquelle, die mit den Klemmen H′ und N verbunden ist, ein
115- oder 230-Volt-Wechselstromnetz ist, bezeichnen die
Klemmen H′ und N lediglich die "heiße" Seite (Phase) bzw.
die Nullseite des Netzes. Wenn jedoch die externe Strom
quelle eine Gleichstromquelle ist, kann die Klemme H′ die
positive Seite der Quelle und die Klemme N die negative Sei
te der Quelle sein. Darüber hinaus hat jeder E/A-Modul 81-
88 eine EIN/AUS-Klemme, die eine doppelte Funktion hat. Wenn
der E/A-Punkt als ein Ausgabepunkt betrieben werden soll,
ist die EIN/AUS-Klemme für diesen Punkt mit dem gesteuerten
Element (oder der Last) in dem Prozeß verbunden, dem dieser
Punkt zu Steuerung zugeordnet ist. Andererseits, wenn der
E/A-Punkt als ein Eingang betrieben werden soll, empfängt
die EIN/AUS-Leitung für diesen Punkt das Eingangssignal aus
der Eingabevorrichtung. Dieselbe EIN/AUS-Leitung dient da
her zwei Funktionen, und zwar in Abhängigkeit von dem Kom
mando aus dem Mikrocontroller 90 und dem zweiten (oder Re
ferenz-)Anschluß der Eingabe-oder Ausgabevorrichtung. Als
Beispiel ist der E/A-Punkt 82 als ein Ausgangspunkt arbei
tend gezeigt, der den Strom an einer Lastvorrichtung 89
ein- oder ausschaltet. Die Last 89 ist zwischen die EIN/
AUS-Leitung des E/A-Punkts 82 und die N-Leitung an der Strom
quelle geschaltet. Dagegen ist der E/A-Punkt 84 als ein
Eingangspunkt arbeitend gezeigt, wobei eine Eingangsschalt
vorrichtung 91 zwischen die EIN/AUS-Leitung und die H-Lei
tung der Stromquelle geschaltet ist. Jeder E/A-Punkt 81-88
kann in der Ausgabebetriebsart entweder als eine Gleich
stromquelle, als eine Gleichstromsenke oder als eine
Wechselstromquelle betrieben werden, was zum Teil von der
internen Schaltungsanordnung des E/A-Punktes abhängig ist.
Dieser Aspekt der Schaltungsanordnung ist weiter unten aus
führlicher erläutert.
Die Information, die dem Mikrocontroller 90 von jedem E/A-
Punkt 81-88 über die M-Leitungsverbindung geliefert wird,
enthält Daten, welche den Status des Laststroms (hoch oder
niedrig), die Größe der von diesem E/A-Punkt aufgenommenen
Leistung, den Temperaturzustand des E/A-Punktes, den Status
irgendeiner Eingabevorrichtung melden, und noch weitere In
formation, was alles im folgenden noch ausführlicher erläu
tert ist.
Die Steuerung jedes E/A-Punktes 81-88 wird schließlich durch
eine Zentraleinheit bestimmt, wie sie in Verbindung mit Fig.
1 angegeben worden ist. In Fig. 3 erfolgt die Kommunikation
mit einer solchen CPU über ein Schnittstellentor (vorzugs
weise ein serielles Tor) des Mikrocontrollers 90 und über
eine Datenübertragungsverbindung 106 (in Fig. 1 die Daten
übertragungsverbindung 28). Andere E/A-Moduln, die im wesent
lichen dem Modul 80 nach Fig. 3 gleichen, können ebenfalls
mit der Datenübertragungsverbindung 106 verbunden sein. Der
Mikrocontroller 90 spricht zwar auf Kommandos der Zentral
einheit an, er sorgt jedoch auch für eine lokalisierte,
nichtzentrale Steuerung jedes E/A-Punktes innerhalb des E/A-
Moduls 80. Der Mikrocontroller 90 ist eine Betriebssteuer
einheit und arbeitet gemäß einem gespeicherten Programm und
in Abhängigkeit von Kommandos aus der Zentraleinheit und
von Signalen, die er auf der Leitung M aus jedem E/A-Punkt
81-88 empfängt. Der Mikrocontroller 90 enthält außerdem,
obgleich es in Fig. 3 nicht im einzelnen gezeigt ist, Spei
cher zur Programmspeicherung und zur Speicherung von ande
ren Daten, die zur Ausführung des Programms und für die be
absichtigte Steuerung notwendig sind.
Das vereinfachte Blockschaltbild in Fig. 4 zeigt eine bevor
zugte Ausführungsform einer E/A-Schaltung, und zwar ohne
die Ausgangsschaltvorrichtung. Der E/A-Punkt enthält einen
Übertragungsabschnitt 111 und einen Steuer- und Abfühlab
schnitt 113. Der Übertragungsabschnitt 111, der zuerst er
läutert wird, enthält einen Zeitgeber 117, ein Ausgangsdaten
filter 119, einen Ausgangsselektor 120, einen 2-Bit-Zähler
121, ein Halte-letzten-Zustand-Flipflop 123, ein Fehlwert (default) -
Flipflop 124, einen Zustandscodierer 125, ein Zustandsflip
flop 127 und einen Datenselektor 129.
Der Übertragungsabschnitt 111 empfängt auf einer Leitung D
ein Signal SIG aus der Betriebssteuereinheit (z. B. dem Mi
krocontroller 90 nach Fig. 3) und einen Satz von Zustands
angabe- oder Diagnosesignalen auf einem 6-Leiter-Bus 115.
Der Übertragungsabschnitt 111 erzeugt ein EIN/AUS-Befehls
signal für den Steuer- und Abfühlabschnitt 113 und sendet
ein Diagnosesignal (ZUSTAND) auf einer Leitung M zu dem Mi
krocontroller 90. Das EIN/AUS-Befehlssignal steuert schließ
lich eine Schaltvorrichtung (vorzugsweise ein IG-Transistor
oder IGT, der weiter unten erläutert ist), deren Betätigung
davon abhängig ist, ob der E/A-Punkt als Eingang oder als
Ausgang dienen soll. Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen die
Beziehung zwischen gewissen Signalen, die am Betrieb des
Übertragungsabschnitts 111 beteiligt sind und im Zusammen
hang mit Fig. 4 erläutert werden.
Das Steuersignal SIG ist eine codierte Impulsfolge, die Ein/
Aus-Information, Halte-letzten-Zustand (hold last state oder
HLS) -Information, Fehlwertzustand (DEF)-Information und
Zeitsteuerinformation enthält. Sie besteht aus einer Reihe
von "Rahmen" von denen jeder entweder zwei oder vier Impul
se enthält, welchen das Weglassen eines Impulses folgt, d. h.
ein "fehlender Impuls". Der "fehlende Impuls" dient zum Re
synchronisieren des Betriebes des Übertragungsabschnitts
111. Von den zwei oder vier Impulsen hat jeder ein Tastver
hältnis von entweder 25% oder 75%. Die Zeit T zwischen
Impulsen innerhalb eines Rahmens ist fest und außerdem
gleich der Zeitdauer des "fehlenden Impulses". Das Steuer
signal SIG wird zuerst an den Zeitgeber 117 angelegt, und
seine ansteigende Flanke bewirkt, daß der Zeitgeber 117
rückgesetzt wird und seinen Zeitsteuerzyklus einleitet.
Der Zeitgeber 117 gibt daher eine ansteigende Flanke des
Taktsignals CLK ungefähr 0,5 T nach jeder ansteigenden Flan
ke des Steuersignals SIG ab. Das Taktsignal CLK wird zum
Takten des 2-Bit-Zählers 121, des Ausgangsdatenfilters 119
und der Flipflops 123 und 124 benutzt. Der Zeitgeber 117
gibt auch, sofern er nicht zuerst rückgesetzt wird, eine
ansteigende Flanke des Synchronisiersignals SYNC ungefähr
1,5 T nach einer ansteigenden Flanke von SIG und eine ab
fallende Flanke des Signals eine beträchtlich längere
Zeit nach einer ansteigenden Flanke von SIG ab (z. B. 2,5 T).
Normalerweise treten die ansteigenden Flanken von SIG in
Intervallen von T auf, so daß der Zeitgeber 117 rückgesetzt
wird, bevor die SYNC- oder -Übergänge auftreten können.
Bei dem Auftreten eines "fehlenden Impulses" (Synchronisier
intervall) tritt jedoch eine Zeit 2 T zwischen den anstei
genden Flanken von SIG auf, was bewirkt, daß SYNC für unge
fähr 0,5 T auf H (hohen Pegel) geht. Der Impuls SYNC setzt
den Übertragungsabschnitt 111 zurück und signalisiert so,
daß ein neuer Rahmen beginnt. Wenn eine Zeitspanne von mehr
als 2,5 T zwischen ansteigenden Flanken von SIG auftritt,
geht auf L (niedrigen Pegel), was dem Übertragungsab
schnitt 111 signalisiert, daß ein Signalverlust aufgetreten
ist.
Die Ein/Aus-Information, die auf der Leitung D zu dem E/A-
Punkt geht, ist in den ersten beiden Impulsen jedes Rahmens
des Steuersignals enthalten. Ein Impuls mit einem Tastver
hältnis von 75% entspricht einer logischen "1" (einschal
ten), und ein Impuls mit einem Tastverhältnis von 25% ent
spricht einer logischen "0" (ausschalten). Wie deutlich
werden wird, bewirkt der Taktimpuls, der bei 0,5 T nach der
ansteigenden Flanke eines SIG-Impulses auftritt, eine Ab
tastung des SIG-Impulses zu dieser Zeit. Wenn ein Impuls
mit 25% Tastverhältnis (0,25 T) gesendet worden ist, wird
daher ein niedriger Pegel (L-Zustand) oder "Null" bei
0,5 T erzielt. Dagegen wird, wenn ein Impuls mit einem Tast
verhältnis von 75% (0,75 T) gesendet worden ist, ein hoher
Pegel (H-Zustand) oder eine "Eins" bei 0,5 T erzielt. Die
ersten beiden Impulse werden außerdem redundant gesendet,
d. h., die ersten beiden Impulse müssen übereinstimmen (bei
de 1 oder beide 0), damit der Übertragungsabschnitt 111 auf
das Ein/Aus-Befehlssignal anspricht. Für diese Zwecke wird
das Steuersignal SIG an das Ausgangsdatenfilter 119 angelegt,
welches die ersten beiden Impulse des Steuersignals effek
tiv abtastet und vergleicht. Wenn die beiden Impulse ver
schieden sind (beispielsweise aufgrund von Rauschen), hält
das Ausgangsdatenfilter 119 das letzte gültige Ein/Aus-
Kommando, das empfangen wurde, aufrecht.
Wenn ein Rahmen des Steuersignals vier statt zwei Impulse
enthält, dann werden der dritte und der vierte Impuls be
nutzt, um das Halte-letzten-Zustand-Flipflop 123 bzw. das
Fehlwertflipflop 125 auf den neuesten Stand zu bringen. Die
Inhalte der Flipflops 123 und 124 werden nur geändert, wenn
der dritte und der vierte Impuls empfangen werden. Eine lo
gische Eins in der Position des dritten Impulses setzt das
Halte-letzten-Zustand-Signal HLS auf H, und eine logische
Null in der Position des dritten Impulses bewirkt, das das
Signal HLS auf L geht. Das Signal HLS erscheint an dem Aus
gang des HLS-Flipflops 123 und wird an den Ausgangsselektor
120 und an den Zustandscodierer 125 abgegeben. Ebenso setzt
ein vierter Impuls das Fehlwertsignal DEF auf H oder L (hoch,
H = Ein; niedrig, L = Aus). Das Fehlwertsignal DEF und sein
Komplement erscheinen als Ausgangssignale des Fehlwert
flipflops 124. Das Fehlwertsignal DEF wird an den Zustands
codierer 125 abgegeben, und sein Komplement wird an den
Ausgangselektor 120 abgegeben. Im Falle eines Verlustes von
Übertragungen aus dem Mikrocontroller (d. h. ein Verlust des
Steuersignals, der bewirkt, daß in den L-Zustand geht),
veranlaßt das Signal HLS den Ausgangsselektor 120, entweder
den vorherigen Ein/Aus-Zustand zu halten oder den Fehlwert
zustand anzunehmen. Wenn HLS eine logische Eins ist, dann
wird der vorherige Zustand aufrechterhalten; wenn HLS gleich
logisch Null ist, wird der Fehlwertzustand angenommen, so
bald auf L geht. Der Vorteil dieser Operation liegt auf
der Hand: im Falle eines Verlustes an Übertragungen zwi
schen dem E/A-Punkt und der steuernden Vorrichtung (d. h. dem
Mikrocontroller nach den Fig. 1 und 3) wird der Ein/Aus-Zu
stand zwangsweise in einen vorgewählten, bevorzugten Zustand
gebracht.
Der 2-Bit-Zähler 121 zählt die Impulse CLK, um einen Aus
gangszählwert S0 und S1 zu liefern, der Binärwerte zwischen
null und drei annimmt. Dieser Zählwert zeigt an, welcher Im
puls in einem Rahmen gerade empfangen und (als S0 und S1)
an das Ausgangsdatenfilter 119, das Halte-letzten-Zustand-
Flipflop 123, das Fehlwertflipflop 124 und den Datenselek
tor 129 abgegeben wird, so daß jede Schaltung nur auf die
geeigneten Impulse eines Rahmens anspricht.
Die Wellenformen in Fig. 5 veranschaulichen die Signalbezie
hungen SIG, CLK, SYNC, und das Ein/Aus-Signal für ver
schiedene Bedingungen. Bei dem ersten Rahmen (die Rahmen
werden zur Erleichterung der Bezugnahme willkürlich mit Rah
mennummern bezeichnet) werden redundante 25%-Tastverhältnis-
Impulse gesendet, was einem "0"- oder einem Ausschalten-Zu
stand entspricht. Taktimpulse werden bei 0,5 T nach jeder an
steigenden Flanke eines SIG-Impulses erzeugt. Anschließend
an die beiden redundanten Impulse gibt es ein Synchronisier
intervall oder "fehlenden Impuls". Der fehlende Impuls be
wirkt, daß ein SYNC-Impuls erzeugt wird, welcher das Ende
eines Rahmens bedeutet. Da die beiden SIG-Impulse beide ein
Tastverhältnis von 25% haben, bleibt der Ein/Aus-Wert im
L-Zustand und der -Wert im H-Zustand.
Bei dem zweiten Rahmen hat der erste SIG-Impuls ein Tast
verhältnis von 25% und der zweite Impuls ein Tastverhält
nis von 75%. Der Mangel an Identität kann beispielsweise
auf Rauschen zurückzuführen sein. In diesem Fall werden wie
der die CLK- und SYNC-Impulse wie in dem ersten Rahmen er
zeugt, und bleibt auf H. Da die SIG-Impulse verschieden
sind, hält jedoch das Ein/Aus-Signal seinen vorherigen Wert,
der in diesem Fall ein L-Wert ist. In dem dritten Rahmen
haben die SIG-Impulse beide ein Tastverhältnis, d. h. eine
Einschaltdauer von 75%, was signalisiert, daß das Ein/Aus-
Schaltsignal auf den EIN-Wert erhöht werden sollte. Das er
folgt an der ansteigenden Flanke des Taktimpulses, der dem
zweiten SIG-Impuls folgt. Bei dem vierten Rahmen geht die
Impulsidentität zwischen den Steuerimpulsen verloren, und
deshalb bleibt die Ein/Aus-Leitung auf H. Der fünfte Rahmen
bringt die Ein/Aus-Leitung bei dem Auftreten von redundanten
Impulsen, die beide ein Tastverhältnis von 25% haben, auf
einen niedrigen Pegel zurück. Der sechste Rahmen von SIG-
Impulsen enthält vier 75%-Tastverhältnis-Impulse. Der
sechste Rahmen ist in der zeitlichen Dauer etwas länger, um
die vier Impulse und den "fehlenden Impuls" aufnehmen zu
können. Der erste und der zweite SIG-Impuls bringen das
Ein/Aus-Signal wieder auf H. Obgleich nicht dargestellt sei
angegeben, daß der dritte Impuls des Rahmens bewirkt, daß
HLS gleichzeitig mit der ansteigenden Flanke des sich er
gebenden Taktimpulses auf H geht, und daß der vierte Impuls
des Rahmens bewirkt, daß DEF auf H geht.
Das Steuersignal SIG liefert nicht nur die Ein/Aus-, Fehl
wert- und Halte-letzten-Zustand-Information, sondern be
wirkt auch die Zeitsteuerung für das Zurückleiten von Sta
tus- oder Diagnosedaten zu dem Mikrocontroller. Der Zu
standscodierer 125 empfängt als Eingangssignale sechs Schal
terzustände auf dem 6-Leiter-Bus 115 aus dem Steuer- und
Abfühlabschnitt 113 zusammen mit den EIN/AUS-, DEF- und HLS-
Bits. Der Zustandscodierer 125 verknüpft diese Eingangssig
nale und bildet eine 4-Bit-codierte Statusnachricht, die an
das Zustandsflipflop 127 angelegt wird. Der Datenselektor
129 ist ein 1-aus-4-Selektor, der die vier Datenbits aus dem
Zustandsflipflop 127 empfängt und dann diese 4-Bit-Zustands-
Information über die Leitung M sequentiell zu dem Mikro
controller sendet. Der Ausgang des 2-Bit-Zählers 121 zeigt
den Zählwert der SIG-Impulse an und steuert den Datenselek
tor 129 so, daß dieser für jeden empfangenen SIG-Impuls ein
Bit aussendet. Die vier Bits sind so codiert, daß das erste
Bit (X0) anzeigt, ob ein Fehlerzustand vorhanden ist oder
nicht, und daß das zweite Bit (X1) anzeigt, ob eine Spannung
an der Ausgangslast erscheint oder nicht. Wenn ein Fehler
auftritt (X0 = 0), zeigen das dritte und das vierte Bit
(X2 und X3) die Art des Fehlers an. Wenn kein Fehler aufge
treten ist (X0 = 1), dann zeigt das dritte Bit den Halte
letzten-Zustand-Wert an, und das vierte Bit zeigt den Fehl
wert-Wert an.
Der Mikrocontroller 90 (Fig. 3) bestimmt, wieviel Informa
tion aus dem Übertragungsabschnitt 111 durch die Zahl von
Impulsen pro Rahmen zu empfangen ist, die in dem Steuersig
nal SIG enthalten sind, welches zu dem Übertragungsabschnitt
111 gesendet wird. Der Mikrocontroller liest das Zustands
signal auf der Leitung M sofort nachdem er eine ansteigende
Flanke von SIG auf die Leitung D gebracht hat. Daher sind
die Anzahl der Impulse pro Rahmen in dem Steuersignal und
die Anzahl von Statusbits, die pro Rahmen zurückgelesen wer
den, dieselben. Normalerweise gibt der Mikrocontroller zwei
Impulse pro Rahmen ab und liest X0 und X1 zurück. Wenn X0
einen Fehler anzeigt, schaltet der Mikrocontroller auf vier
Impulse pro Rahmen, so daß er eine Fehlernachricht lesen
kann, die in den X2- und X3-Bits enthalten ist. Bei Nicht
vorhandensein eines Fehlers kann die 4-Impuls-Betriebsart
ebenfalls benutzt werden, um an dem HLS-Flipflop 123 und dem
Fehlwertflipflop 124 zu lesen und zu schreiben. In diesem
Fall werden durch den dritten und den vierten Impuls von
SIG das HLS-Flipflop 123 bzw. das Fehlwertflipflop 124 ge
setzt oder rückgesetzt, und X2 und X3 des Zustandssignals
zeigen den Status dieser beiden Flipflops an.
Der Steuer- und Abfühlabschnitt 113 in Fig. 4 enthält eine
Schaltlogikschaltungsanordnung 133, eine Komparatorschal
tungsanordnung 135 und eine Gate- oder Steuerelektroden
treiberschaltung 137. Die Schaltlogikschaltungsanordnung
133 empfängt das Ein/Aus-Signal, welches durch den Übertra
gungsabschnitt 111 erzeugt wird, und gibt, in Abhängigkeit
von dem Status von anderen Eingangssignalen, ein entspre
chendes Gate- oder Steuerelektrodensignal über die Gate-
oder Steuerelektrodentreiberschaltung 137 an die Gate- oder
Steuerelektrodenklemme einer Leistungsschaltvorrichtung ab.
Die Leistungsschaltvorrichtung ist vorzugsweise ein IG-Tran
sistor, was weiter unten ausführlicher beschrieben ist.
Unter den anderen Signalen, die an die Schaltlogikschal
tungsanordnung 133 angelegt werden, sind Signale, welche den
Stromversorgungsspannungswert und die Temperatur der Lei
stungsschaltvorrichtung angeben. Signale, welche die Netz- oder Lei
tungs- und Lastspannung und den Laststrom angeben, werden
als Eingangssignale an die Komparatorschaltungsanordnung 135
angelegt. Die Komparatorschaltungsanordnung 135 erzeugt
einen Satz von Signalen, der den Wert des Laststroms mit
Bezug auf einen vorgewählten unteren Grenzwert, einen Zwi
schengrenzwert und einen hohen Grenzwert angibt. Die Kompa
ratorschaltungsanordnung 135 liefert außerdem ein Signal,
das den Wert der Lastspannung mit Bezug auf den Netz
spannungswert angibt, und, bei Wechselstrom, ein Signal,
das den Wechselstromnulldurchgang angibt. Alle diese Sig
nale werden als Eingangssignale an die Schaltlogikschal
tungsanordnung 133 über einen 5-Leiter-Bit 136 angelegt.
Ein weiterer Eingang an der Schaltlogikschaltungsanordnung
133, der mit /- bezeichnet ist, ist zum Vorwählen entweder
des Wechselstrombetriebes oder des Gleichstrombetriebes
vorgesehen.
Die Schaltlogikschaltungsanordnung 133 liefert den Satz von
Diagnosesignalen, der dem Zustandscodierer 125 über den
6-Leiter-Bus 115 zugeführt wird. Dieser Diagnosesignalsatz
wird aus den Spannungs- und Stromwertsignalen gewonnen,
welche die Komparatorschaltungsanordnung 135 liefert, und
aus den Temperatur- und Versorgungsspannungssignalen. Die
sechs Diagnosesignale werden benutzt, um beispielsweise
folgendes anzuzeigen: 1) daß es eine offene oder abgetrenn
te Last gibt; 2) daß die Last einen ersten hohen Grenzwert
übersteigt, so daß eine sofortige Schutzmaßnahme eingeleitet
werden muß; 3) daß ein Laststrom über einem zweiten hohen
Grenzwert ist, was eine Schutzmaßnahme nur verlangt, wenn
der Strom für eine gewisse vorgewählte Zeitspanne über dem
Grenzwert bleibt; 4) daß die Lastspannung angelegt worden
ist oder nicht; 5) den Relativwert der Versorgungsspannung;
und 6) die relative Temperatur der Leistungsschaltvorrich
tung.
Verschiedene Ein-/Ausgabe-Schaltkreise können durch das
Gate-Signal aus dem Steuer- und Abfühlabschnitt 113 gesteu
ert werden. Beispielsweise können Schalteinrichtungen, die
Feldeffekttransistoren oder Thyristoren enthalten, als Ein-/
Ausgabe-Schaltkreise benutzt werden. Ein bevorzugter Schalt
kreis wird in jedem Fall einen Nebenschlußstrompfad aufwei
sen, der eine Einrichtung hat zum Liefern eines Signals,
welches den zu einer angeschlossenen Last fließenden Strom
anzeigt. Am bevorzugtesten ist es jedoch, bei den Schalt
kreisen von einem IG-Transistor oder IGT Gebrauch zu machen.
Der IGT ist allgemein eine Leistungshalbleitervorrichtung,
die über ihre Gate- oder Steuerelektrode in den durchge
steuerten und in den Sperrzustand gebracht werden kann. Das
heißt, der IGT kann über seine Gate- oder Steuerelektroden
klemme sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden. Einige
Versionen des IGT enthalten einen Stromemulationsabschnitt,
welches ein Abschnitt des IGT ist, der dafür vorgesehen
ist, einen proportionalen Anteil des gesamten IGT-Stroms
zu führen. Der Emulationsabschnitt hat den Vorteil, daß er
benutzt werden kann, um den Gesamtstrom zu überwachen, ohne
daß auf eine große Verlustleistung aufweisende Nebenschluß
widerstände zum Messen des Stroms zurückgegriffen zu werden
braucht. Ein einzelnes Gatesignal steuert den Stromfluß so
wohl in dem Hauptabschnitt eines IGT als auch in dessen Emu
lationsabschnitt. Der IG-Transistor ist in einem Aufsatz
(obgleich unter einer anderen Bezeichnung) von B.J. Baliga
et al. mit dem Titel "The Insulated Gate Rectifier (IGR):
A New Power Switching Device", IEDM 82 (Dezember 1982),
S. 264-267, beschrieben. Ein IGT, der einen Emulationsab
schnitt hat, bildet den Gegenstand einer weiteren deutschen
Patentanmeldung, für die die Priorität der US-Patenanmeldung,
Serial No. 529 240, in Anspruch genommen worden ist. Die
Fig. 7A-7C zeigen verschiedene Ein-/Ausgabe-Schaltkreise
unter Verwendung von IGTs, welche in dem hier beschriebenen
E/A-System benutzt werden können.
Bei der Gleichstromquellenschaltung nach Fig. 7A wird das
Gatesignal an den Gateanschluß 140 eines P-Kanal-IGT 141
angelegt, der einen Emitter 142 für einen Hauptstromab
schnitt und einen Emitter 143 für einen Emulationsstromab
schnitt hat. Die positive Seite der Gleichstromquelle ist
direkt mit dem Hauptemitter 142 und über einen Bürde-Widerstand
145 mit dem Emitter 143 des Emulationsabschnitts verbunden.
Der Kollektor der IGT-Vorrichtung ist extern mit einem Ende
der Parallelschaltung aus einer Freilaufdiode 147 und einem
Vorbelastungswiderstand 148 verbunden. Das entgegengesetzte
Ende der Schaltung aus der Diode 147 und dem Vorbelastungs
widerstand 148 ist zu der negativen Seite der Gleichstrom
quelle zurückgeführt. Die Verbindungsstelle zwischen dem
IGT 141 und der aus der Freilaufdiode 147 und dem Vorbela
stungswiderstand 148 bestehenden Schaltung bildet die EIN-/
AUSGANG-Klemme 149. Obgleich im tatsächlichen Gebrauch eine
Eingabevorrichtung und eine Last nicht gleichzeitig ange
schlossen sein würden, ist eine Last 150 zwischen der EIN-/
AUSGANG-Klemme 149 und der Last (d. h. Ausgangs) -Rückführklem
me 152 dargestellt, und eine Eingabevorrichtung 153 ist
zwischen der EIN-/AUSGANG-Klemme 149 und der Eingangsrück
führklemme 155 dargestellt. Die Rückführklemmen 155 und 152
sind mit der positiven bzw. negativen Leitung der Gleich
stromquelle elektrisch verbunden. Der Vorbelastungswider
stand 148 hat einen relativ hohen ohmschen Wert, und der Bür
de-Widerstand 145 hat einen relativ niedrigen ohmschen Wert,
was auch für die entsprechenden Vorbelastungs- und Bürde-Wider
stände gilt, die in den Schaltungen nach den Fig. 7B und 7C
benutzt werden. Beispielsweise kann bei einer 120-Volt-
Quelle der Vorbelastungswiderstand 148 einen Wert in der
Größenordnung von 20 Kiloohm und der Bürde-Widerstand 145
einen Widerstandswert in der Größenordnung von 10 Ohm haben.
Wenn die Schaltung nach Fig. 7A als Ausgabeschaltung betrie
ben wird, wird der Laststrom gesteuert, indem der IGT 141
zu geeigneten Zeiten ein- und ausgeschaltet wird. Der Last
strom fließt von der Stromquelle über den IGT 141 und durch
die Last 150 und zurück zu der Quelle. Die Laststromüberwa
chung wird durch den IGT-Emulationsabschnitt erleichtert,
welcher ein den Laststrom angebendes Signal an dem Verbin
dungspunkt zwischen dem Bürde-Widerstand 145 und dem Emitter
143 abgibt. Ein Lastspannungssignal, welches bestätigt, daß
die Lastspannung tatsächlich anliegt, wird an dem Verbin
dungspunkt zwischen dem Vorbelastungswiderstand 148 und dem
Kollektor des IGT 141 abgenommen. Ein Netzspannungssignal
wird an dem entgegengesetzten Ende des Vorbelastungswider
stands 148 abgenommen. Die Freilaufdiode 147 ist als Neben
schluß für umgekehrte Ströme aus induktiven Belastungen
vorgesehen.
Wenn die Schaltung nach Fig. 7A als Eingabeschaltung be
trieben wird, wird der IGT in einem Aus-Zustand gehalten.
Der Zustand der Eingabevorrichtung 153 (offen oder geschlos
sen) wird dann erfaßt, indem die Spannung überwacht wird,
welche an dem Vorbelastungswiderstand 148 abfällt. Dieses
Statussignal wird über die Lastspannungsleitung überwacht.
Die Gleichstromsenker-Ein/Ausgabe-Schaltungsanordnung nach
Fig. 7B enthält dieselben Schaltungselemente wie die
Gleichstromquellenschaltungsanordnung nach Fig. 7A, aber
mit etwas anderem Schaltungsaufbau. Wenn diese Schaltungs
anordnung als Ausgabeschaltungsanordnung betrieben wird,
ist die Last 157 zwischen der EIN-/AUSGANG-Klemme 158 und
der Lastrückführklemme 159 angeschlossen. Der IGT 161 wird
ein- oder ausgeschaltet, um den Laststrom zu steuern. Bemer
kenswert ist jedoch die Tatsache, daß der IGT 161 ein N-
Kanal-IGT ist. Der Kollektoranschluß ist mit einem Ende der
Parallelschaltung aus einer Freilaufdiode 165 und einem
Vorbelastungswiderstand 167 verbunden. Diese Parallelschal
tung liegt parallel zu den Klemmen 159 und 158, an die die
Last 157 angeschlossen ist. Ein Bürde-Widerstand 168
ist in Reihe zwischen den Emulationsabschnittsemitter und
die negative Seite der Gleichstromquelle geschaltet. Der
Hauptabschnittsemitter ist direkt mit der negativen Seite
der Gleichstromquelle verbunden. Ein IGT-Stromsignal, wel
ches den Laststrom angibt, wird an der Verbindungsstelle
dem Bürde-Widerstands 168 und des Emulationsabschnittsemit
ters 163 abgenommen. Das Lastspannungssignal wird an der
EIN-/AUSGANG-Klemme 158 abgenommen, und das Speisespannungs
signal wird an der positiven Seite der Gleichstromquelle ab
genommen, die außerdem mit der Eingangsrückführklemme 160
verbunden ist. Wie bei der Gleichstromquellenschaltungsan
ordnung, die oben erläutert ist, wird, wenn die Ein-/Ausgabe-
Schaltungsanordnung als Eingabeschaltungsanordnung benutzt
wird, der IGT 161 ausgeschaltet gehalten, und der Zustand
der Eingabevorrichtung 170 wird durch die Spannung abgefühlt,
die an dem Vorbelastungswiderstand 167 abfällt. Dieses Sta
tussignal wird über die Lastspannungsleitung übertragen.
In Fig. 7C, die eine Wechselstrom-Ein-/Ausgabe-Schaltung
zeigt, werden parallele P- und N-Kanal-IGTs 175 bzw. 176
benutzt. Das IGT-Gatesignal wird an eine Gatesteuerschaltung
178 angelegt, die zwei gleichzeitige Gatesteuersignale (ent
gegengesetzter Polarität) zum Steuern (d. h. zum Ein- und
Ausschalten) der IGTs 175 und 176 liefert. Der Emulations
abschnitt des IGT 175 ist mit einem in Reihe geschalteten
Bürde-Widerstand 180 versehen, und der Emulationsab
schnitt des IGT 176 ist mit einem in Reihe geschalteten
würde-Widerstand 181 versehen. Ein IGT-Stromsignal, wel
ches den Laststrom in den IGTs angibt, wird erzeugt, indem
die Signale, die an den beiden Bürde-Widerständen 180
und 181 gebildet werden, in einem Differenzkomparator 183
miteinander verglichen werden. Ein Stoßspannungsunterdrücker
185 ist zu dem Hauptabschnitt der IGTs parallel und zwischen
die EIN-/AUSGANG-Klemme 186 und die Rückführklemme 187 der
Eingabevorrichtung 192 geschaltet. Die Klemme 187 ist außer
dem mit einer Seite des Wechselstromnetzes elektrisch ver
bunden. Ein Vorbelastungswiderstand 189 ist zwischen die
EIN-/AUSGANG-Klemme 186 und die Lastrückführklemme 190 ge
schaltet. Die letztgenannte Klemme 190 ist mit der anderen
Seite des Wechselstromnetzes verbunden.
Wenn die Schaltungsanordnung nach Fig. 7C als eine Ausgabe
schaltungsanordnung betrieben wird, befiehlt die Gate
steuerschaltungsanordnung 178 auf ein IGT-Gatesignal hin den
IGTs 175 und 176, gleichzeitig in den Ein- oder in den Aus-
Zustand zu gehen und dadurch den Laststrom ein- oder auszu
schalten. Die Last 191 ist zwischen die EIN-/AUSGANG-Klemme
186 und die Lastrückführklemme 190 geschaltet. Bei dem Be
trieb als Eingabeschaltungsanordnung ist die Last 191 nicht
angeschlossen, sondern die Eingabeschaltvorrichtung 192 ist
zwischen die EIN-/AUSGANG-Klemme 186 und die Rückführklemme
187 geschaltet. Die IGTs 175 und 176 werden in dem Aus-Zu
stand gehalten, und der Zustand (d. h. der Status) der Einga
beschaltvorrichtung 192 wird durch das Vorhandensein oder
Nichtvorhandensein einer Spannung an der Lastspannungslei
tung bestimmt, wobei das Vorhandensein einer Spannung einen
geschlossenen Eingabeschalter anzeigt.
Gemäß Fig. 8, die den Steuer- und Abfühlabschnitt ausführ
licher zeigt, wird das EIN/AUS-Signal aus dem Übertragungs
abschnitt an einen Eingang eines NAND-Gatters 195, an einen
Inverter 196 und an die Rücksetzeingänge von Flipflops 198
und 199 angelegt. Der andere Eingang des NAND-Gatters 195
empfängt das Ausgangssignal eines NAND-Gatters 201. Der
erste Eingang des NAND-Gatters 201 empfängt ein Signal, das
entweder im H- oder im L-Zustand ist, je nach dem, ob die
Ausgabeschaltung als Wechselstrom- oder als Gleichstromaus
gabeschaltung betrieben werden soll. Dieses Signal kann
durch einen Schalter oder einen Schaltdraht geliefert werden,
welcher die Wechselstrom/Gleichstrom-Wählleitung geeignet
mit einem hohen oder niedrigen Referenzwert verbindet. Der
andere Eingang des NAND-Gatters 201 empfängt ein Signal aus
einem Nulldurchgangsdetektor 202 über einen Inverter 201a,
um diejenigen Fälle anzuzeigen, in denen die Wechselstrom
netzspannung (für Wechselstromausgabeschaltungen) innerhalb
eines gewissen Nullspannungsbereiches ist. Daher läßt in dem
Fall einer Wechselstromausgabe das NAND-Gatter 195 das EIN/
AUS-Signal nur während eines Nulldurchgangs der Wechsel
stromnetzspannung durch. Der Nulldurchgangsdetektor 202
kann irgendeine von mehreren herkömmlichen Schaltungen sein,
die ein Signal liefert, welches anzeigt, daß das Wechsel
stromeingangssignal innerhalb eines gewissen Bereiches eines
Nulldurchgangs ist. Bei einer Gleichstromausgabe gestattet
der Zustand des NAND-Gatters 201 dem EIN/AUS-Signal, das
NAND-Gatter 195 zu passieren. Das EIN/AUS-Signal aus dem
NAND-Gatter 195 wird an den Setzeingang eines Flipflops 203
angelegt. Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 203 wird als
eines von drei Eingangssignalen an ein UND-Gatter 205 ange
legt, dessen Ausgangssignal das IGT-Gatesignal bildet.
Die anderen beiden Eingänge an dem UND-Gatter 205 werden
durch die Q-Ausgänge des Flipflops 198 und 199 geliefert.
Die Flipflops 198 und 199 werden beide rückgesetzt, wenn das
EIN/AUS-Signal in den Aus-Zustand geht. Das Flipflop 198
empfängt ein Setzsignal aus einem Komparator 207 immer dann,
wenn der IGT-Strom einen vorgewählten Wert übersteigt. Daher
wird ein Signal, das den IGT-Strom angibt, an den invertie
renden Eingang des Komparators 207 angelegt, während eine
Referenzspannung, die einen übergroßen Wert des IGT-Stroms
angibt, an dessen nichtinvertierenden Eingang angelegt wird.
Die Referenzspannung kann beispielsweise einen Wert haben,
der einem Strom von 30 A entspricht. Ebenso empfängt das
Flipflop 199 ein Signal an seiner Setzklemme aus einer
Stromversorgungsüberwachungsschaltung 209. Die Stromversor
gungsüberwachungsschaltung 209 kann irgendeine bekannte
Einrichtung sein, die ein Signal liefert, welches anzeigt,
ob die Gleichstromversorgungsspannung oberhalb oder unter
halb eines vorgewählten Wertes ist. Im Betrieb wird deshalb
eine niedrige Versorgungsspannung oder ein übermäßig hoher
IGT-Strom das UND-Gatter 205 sperren. Das zwingt den IGT
(der mit dem Ausgang des UND-Gatters 205 verbunden ist) in
einen Auszustand zu gehen, in welchem er bleibt, bis der
Fehlerzustand beseitigt ist.
Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 198 dient als Überstrom
abschaltsignal und ist eines der sechs Schalterzustandssig
nale, die über den 6-Leiter-Bus 115 (Fig. 4) geliefert wer
den. Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 199 geht nicht nur
zu dem UND-Gatter 205, sondern wird auch als ein Eingangs
signal an ein Logikgatter 210 angelegt. Das Signal aus der
Stromversorgungsüberwachungsschaltung 209 wird an den ande
ren Eingang des Logikgatters 210 angelegt, so daß dessen
Ausgangssignal den Status der Gleichstromversorgung anzeigt.
Dieses Ausgangssignal ist ebenfalls eines der sechs Schal
terzustandssignale.
Das Flipflop 203 empfängt ein Rücksetzsignal von dem Ausgang
eines NAND-Gatters 212. Von den beiden Eingangssignalen des
NAND-Gatters 212 ist das erste das invertierte EIN/AUS-Sig
nal aus dem Inverter 196 und das zweite stammt aus dem
NAND-Gatter 213. Das Gleichstrom/Wechselstrom-Wahl-Signal
wird an einen Eingang des NAND-Gatters 213 angelegt, und
das Ausgangssignal eines Komparators 214 wird über einen
Inverter 201b als das andere Eingangssignal angelegt. Der
Komparator 214 ist ein Überwachungskomparator für den IGT-
Strom, wobei das IGT-Stromsignal an seinem invertierenden
Eingang anliegt. Eine Referenzspannung, die einem relativ
niedrigen, minimalen IGT-Stromwert entspricht (z. B. 0,05 A),
wird an den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 214
angelegt. Diese Kombination, welche das NAND-Gatter 212,
den Inverter 196, das NAND-Gatter 213 und den Komparator
214 enthält, verhindert über das Flipflop 203, daß der IGT
geschaltet wird (in einer Wechselstrombetriebsart), sofern
nicht der IGT-Laststrom kleiner als der Referenzwert ist.
Das IGT-Stromsignal wird außerdem an den nichtinvertieren
den Eingang eines Komparators 215 angelegt, in welchem es
mit einem Zwischenreferenzstromwert verglichen wird. Der
Zwischenreferenzstromwert (z. B. entsprechend 2 A) wird an
den invertierenden Eingang des Komparators 215 angelegt.
Mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 215 ist
jedoch außerdem eine Zeitverzögerungsschaltung verbunden,
die einen Widerstand 216 und einen Kondensator 220 enthält.
Die Kombination aus dem Widerstand 216 und dem Kondensator
220 bewirkt, daß die Spannung an dem nichtinvertierenden
Eingang des Komparators 215 in bezug auf den IGT-Strom ver
zögert wird. Nur dann, wenn der IGT-Strom den Referenzwert
für eine längere Zeitspanne übersteigt, wird deshalb der
Ausgang des Komparators 215 beeinflußt. Wenn der Überstrom
lediglich von kurzer Dauer ist, erfolgt keine Zustandsände
rung des Komparators 215. Sowohl das Ausgangssignal des
Komparators 215 als auch das Ausgangssignal des Komparators
214 werden als Schalterzustandssignale geliefert. Diese
Signale dienen als Diagnosesignale und zeigen an, ob der
IGT-Strom oberhalb oder unterhalb des Zwischenreferenzwer
tes ist und ob er oberhalb oder unterhalb des niedrigen Re
ferenzwertes ist, so daß, falls notwendig, eine Korrektur
maßnahme durch den Mikrocontroller eingeleitet werden kann.
Falls der IGT-Strom den Zwischenreferenzwert übersteigt, er
folgt ein Korrekturvorgang nur, wenn der Überstrom eine
ausreichende Größe und eine ausreichende Zeitdauer hat, um
den Komparator 215 auszulösen. Das heißt, der Laststrom
kann den Zwischenreferenzwert für einige Zeit übersteigen,
bevor eine Korrekturmaßnahme ergriffen wird. In einigen
Fällen ist es vorzuziehen, die Zeitverzögerungsschaltung zu
beseitigen (d. h. den Widerstand 216 und den Kondensator 220)
und die Zeitverzögerungsfunktion durch Softwareroutinen aus
zuführen, welche in dem Mikrocontroller implementiert sind.
Der Vergleich des IGT- oder Laststroms mit dem niedrigen
oder minimalen Referenzwert gestattet die Erzeugung eines
Diagnosesignals (z. B. 0,05 A), welches angibt, ob eine Last
angeschlossen ist, oder, wenn dem so ist, ob sie offen ist.
Das Q-Ausgangssignal eines Flipflops 217 ist ein Diagnose
schalterzustandssignal, welches angibt, ob eine Spannung an
der angeschlossenen Last vorhanden ist oder nicht. Die
Setzeingangsklemme des Flipflops 217 ist mit dem Ausgang
eines NAND-Gatters 218 verbunden. Das NAND-Gatter 218
empfängt das invertierte Wechselstromnulldurchgangssignal
aus einem Inverter 219 an seiner ersten Eingangsklemme und
das Ausgangssignal eines Komparators 221 an seiner anderen
Eingangsklemme. Der Komparator 221 vergleicht die Netz- und
die Lastspannung, um ein Logiksignal zu liefern, welches
anzeigt, ob die Lastspannung größer oder kleiner als ein
vorgewählter Prozentsatz der Netzspannung ist. Beispiels
weise kann das Ausgangssignal anzeigen, ob die Lastspannung
größer oder kleiner als 70% der Netzspannung ist. Die Netz-
und die Lastspannung werden über Eingangswiderstände 223
bzw. 224 an die Eingangsklemmen des Komparators 221 ange
legt. Funktionsmäßig verhindert das NAND-Gatter 218 eine
Zustandsänderung des Ausgangs des Flipflops 217 immer dann,
wenn die Wechselstromnetzspannung innerhalb eines gewissen
Bereiches von null Volt ist. Tatsächlich werden deshalb Ent
scheidungen über den Status der Lastspannung immer dann
nicht getroffen, wenn die Wechselstromnetzspannung nahe
einem Nulldurchgang ist.
Das Flipflop 217 wird durch das Ausgangssignal eines NAND-
Gatters 226 rückgesetzt. Das erste Eingangssignal des NAND-
Gatters 226 wird mit dem invertierten Nulldurchgangssignal
aus dem Inverter 219 geliefert, und das zweite Eingangssig
nal wird mit dem Ausgangssignal des Komparators 221 gelie
fert, nachdem dieses durch einen Inverter 227 invertiert
worden ist.
Das verbleibende Schalterzustandssignal wird durch eine Tem
peraturüberwachungsschaltung 229 geliefert und zeigt die re
lative Temperatur des IGT (oder der IGTs in dem Falle einer
Wechselstromausgabe)-Schaltvorrichtung an. Die Temperatur
überwachungsschaltung 229 ist vorzugsweise ein einfacher
PN-Übergang-Temperaturdetektor 229, der in guter thermischer
Verbindung mit dem IGT ist. Der Temperaturdetektor 229 kann
beispielsweise so gewählt werden, daß er eine Anzeige lie
fert, wenn die IGT-Temperatur 150°C überschritten hat.
Fig. 9, die sich aus den Fig. 9A-9C zusammensetzt, zeigt
eine Ausführungsform des Übertragungsabschnitts (111 in Fig.
4) ausführlicher. Die Ausgangssignale aus dem Zeitgeber 117
werden aus einem RC-Zeitglied gewonnen, welches aus einem
Widerstand 300 und einem Zeitsteuerkondensator 301 besteht.
Der Widerstand 300 und der Kondensator 301 sind zwischen
einer positiven Spannungsquelle +V und einem gemeinsamen
Schaltungspunkt in Reihe geschaltet. Die Verbindung zwischen
dem Widerstand 300 und dem Kondensator 301 ist mit dem in
vertierenden Eingang eines LOS-Komparators 303 und mit den
nicht invertierenden Eingängen von SYNC- und CLK-Komparatoren
304 bzw. 305 verbunden. Widerstände 308-312 bilden eine
Spannungsteilerschaltung, in welcher die Widerstände zwi
schen +V und dem gemeinsamen Schaltungspunkt in Reihe ge
schaltet sind. Jede Verbindung zwischen den Widerständen 308-
312 der Spannungsteilerschaltung liefert daher eine Referenz
spannung. Die höchste Referenzspannung, die an der Verbindung
zwischen den Widerständen 308 und 309 abgegeben wird, wird
an den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 303 an
gelegt. Die anderen Referenzspannungswerte werden in ab
steigender Reihenfolge des Spannungswertes entsprechend an
die invertierenden Eingänge des SYNC-Komparators 304 und
des CLK-Komparators 305 und an den nichtinvertierenden Ein
gang eines Steuerkomparators 314 angelegt.
Die Kollektorklemme eines Transistors 315 ist über einen
Kollektorwiderstand 316 mit dem Zeitsteuerkondensator 301
verbunden, dessen anderes Ende mit dem Emitter des Tran
sistors 315 verbunden ist. Der Ein/Aus-Zustand des Tran
sistors 315 steuert den Lade-/Entladezyklus des Kondensa
tors 301 und wird seinerseits durch das Q-Ausgangssignal
eines Flipflops 317 gesteuert. Ein Widerstand 318 ist zwi
schen den Basisanschluß des Transistors 315 und den Q-Aus
gang des Flipflops 317 geschaltet. Die Rücksetzklemme des
Flipflops 317 empfängt das Ausgangssignal des Steuerkompa
rators 314. Der Steuerkomparator 314 vergleicht ständig die
Spannung an dem Zeitsteuerkondensator 301 (welcher an dem
invertierenden Eingang des Komparators 314 anliegt) mit der
Referenzspannung, die an der Verbindung der Widerstände
311 und 312 abgenommen wird.
Für die Betrachtung der Arbeitsweise des Zeitgebers 117
wird zuerst angenommen, daß der Q-Ausgang des Flipflops 317
auf einem niedrigen Pegel ist, welcher den Transistor 315
gesperrt hält, so daß der Kondensator 301 auf einen gewis
sen Spannungswert aufgeladen wird, so daß das Ausgangssig
nal des Steuerkomparators 314 im L-Zustand ist. Unter diesen
Bedingungen bewirkt eine ansteigende Flanke eines Impulses,
der an den Takteingang C des Flipflops 317 über einen Puf
ferverstärker 320 angelegt wird, daß ein hoher Pegel an dem
Q-Ausgang erscheint. Dadurch wird der Transistor 315 durch
gesteuert und der Zeitsteuerkondensator 301 entladen. Mit
dem Entladen des Kondensators 301 wird das Ausgangssignal
des CLK-Komparators 305 auf einen L-Pegel gebracht. Der Aus
gang des Komparators 304 wird, wenn er nicht bereits auf L
ist, ebenfalls auf L gebracht, und der Ausgang des LOS-Kom
parators 303 wird auf H gebracht, wenn er nicht bereits in
diesem Zustand ist.
Das Entladen des Kondensators 301 wird durch den Komparator
314 erfaßt, dessen Ausgang in den H-Zustand geht und das
Flipflop 317 rücksetzt. Der Q-Ausgang des Flipflops 317
geht dann in den L-Zustand, der Transistor 315 wird ge
sperrt und so dem Kondensator 301 gestattet, mit dem Wieder
aufladen zu beginnen. Nachdem die Wiederaufladespannung
ausreichend hoch ist, wird der Taktkomparator 305 getriggert,
welcher ein CLK-Signal mit H-Pegel erzeugt. Wenn dem Konden
sator 301 gestattet wird, sich weiterhin aufzuladen, wird
ein gewisser Spannungswert erreicht, der zuerst den SYNC-
Komparator 304 und dann den LOS-Komparator 303 triggern
wird. Der SYNC-Komparator 304 wird daher durch einen "feh
lenden Impuls" getriggert, und der LOS-Komparator wird
durch einen Verlust von SIG getriggert, der ungefähr 2,5 T
dauert, wie es oben beschrieben worden ist.
Gemäß Fig. 9B werden die SIG- und CLK-Signale an das Aus
gangsdatenfilter 119 angelegt, welches Flipflops 325 und
326, ein Exklusiv-NOR-Gatter 329, ein NAND-Gatter 328,
einen Inverter 330 und Übertragungsgatter 331 und 332 ent
hält. Die SIG- und CLK-Impulse werden an die Eingänge D
bzw. C des Flipflops 325 angelegt, welches an seinem Q-Aus
gang den H- oder L-Zustand des unmittelbar vorhergehenden
SIG-Impulses festhält, so daß die Werte der ersten beiden
Impulse eines Rahmens miteinander verglichen werden. Wenn
der Taktimpuls erscheint, ist der SIG-Wert entweder hoch
oder niedrig, je nach dem, ob der Impulswert 75% oder 25%
Tastverhältnis ist. Bei einem 25%-Tastverhältnis-Impuls
wird der Q-Ausgang des Flipflops 325 in den L-Zustand ge
bracht; bei einem 75%-Tastverhältnis-Impuls wird der Q-
Ausgang in den H-Zustand gebracht. Es erfolgt daher tat
sächlich eine Abtastung des SIG-Wertes bei jedem Auftreten
des Taktimpulses. Der Q-Ausgangswert aus dem Flipflop 325
wird an einen Ausgang des Exklusiv-NOR-Gatters 329 ange
legt, und der SIG-Wert wird an dessen anderen Eingang ange
legt. Daher werden der Stromimpulswert und die vorherge
henden Impulswerte in dem Exkiusiv-NOR-Gatter 329 vergli
chen, dessen Ausgangssignal immer dann einen H-Pegel hat,
wenn die Eingangssignale dieselben sind.
Das Ausgangssignal des Exklusiv-NOR-Gatters 329 wird als
ein Eingangssignal an ein NAND-Gatter 328 angelegt, welches
die Zählimpulse S0 bzw. S1 an seinen anderen beiden Ein
gängen empfängt. Die Werte von S0, , S1 und zeigen,
zusammengenommen, an, welcher Impuls in einem Rahmen em
pfangen wird. Wenn die ersten beiden Impulswerte eines Rah
mens dieselben sind und wenn es der zweite Impuls ist, der
empfangen wird, nimmt deshalb das Ausgangssignal des NAND-
Gatters 328 einen logischen Nullwert an. Zu allen anderen
Zeiten und bei anderen Bedingungen ist das Ausgangssignal
des NAND-Gatters 328 eine logische Eins.
Eine logische Null an dem Ausgang des NAND-Gatters 328
zeigt daher Übereinstimmung zwischen den ersten beiden
Impulsen eines Rahmens und eine gültige Bedingung, um den
-Ausgang eines Flipflops 326 auf den neuesten Stand zu
bringen, an. Zu diesen Zweck wird das Ausgangssignal des
NAND-Gatters 328 parallel an den Eingang eines Inverters
330 und an entgegengesetzt wirkende Steueranschlüsse von
Übertragungsgattern 331 und 332 angelegt. Eine logische Null
an dem Ausgang des NAND-Gatters 328 bewirkt, daß das Über
tragungsgatter 332 abgeschaltet und das Übertragungsgatter
331 eingeschaltet wird und das Steuersignal SIG zu dem D-
Eingang des Flipflops 326 geleitet wird. Das Auftreten eines
Taktimpulses taktet dann den neuen Wert durch zu dem Ausgang
des Flipflops 326.
Andererseits, wenn es einen Mangel an Redundanz in den er
sten beiden Impulsen eines Rahmens gibt, ist das Ausgangs
signal des NAND-Gatters 328 eine logische Eins, was bewirkt,
daß das Übertragungsgatter 331 gesperrt und das Übertra
gungsgatter 332 durchgesteuert gehalten wird. Unter diesen
Bedingungen wird das Ausgangssignal des Flipflops 326 über
das Gatter 332 rückgekoppelt, was bewirkt, daß das Flipflop
326 den vorherigen Ausgangszustand aufrechterhält. Das -
Ausgangssignal des Flipflops 326 stellt deshalb eine gefil
terte Version des Ein/Aus-Signals dar, welches dann zu dem
Ausgangsselektor 120 geleitet wird.
Zusätzlich zu dem gefilterten Ein/Aus-Signal empfängt der
Ausgangsselektor 120 das Signal sowie das Halte-letzten-
Zustand- und das komplementäre Fehlwertsignal HLS bzw. .
Der Ausgangsselektor 120 (welcher NOR-Gatter 335-337 und ein
ODER-Gatter 338 enthält) hat die Funktion, einen gewünschten
Wert für das EIN/AUS-Ausgangssignal in dem Fall eines Ver
lustes von Übertragungen zwischen einem E/A-Punkt und dem
Mikrocontroller, d. h. einem Verlust des Steuersignals SIG,
zu wählen. Sollte ein solcher Verlust in den Übertragungen
auftreten, liefert der Ausgangsselektor 120 ein EIN/AUS-Sig
nal, welches entweder der letzte gesendete Wert von SIG oder
ein Fehlwert-Wert ist, was von den Signalen HLS und ab
hängig ist, die als Steuereingangssignale an den Ausgangs
selektor 120 angelegt werden.
Die Signale HLS und werden durch das Halte-letzten-Zu
stand-Flipflop 123 bzw. durch das Fehlwertflipflop 124 er
zeugt. Diese Flipflops sind im wesentlichen gleich, sprechen
aber auf unterschiedliche Impulse in einem Steuersignalrah
men an. Das HLS-Flipflop 123 enthält ein NAND-Gatter 340,
Übertragungsgatter 342 und 343, einen Inverter 344 und ein
Flipflop 345; das Fehlwertflipflop 124 (Fig. 9C) enthält
ein NAND-Gatter 348, Übertragungsgatter 349 und 350, einen
Inverter 352 und ein Flipflop 353. Da der Schaltungsaufbau
und die Arbeitsweise dieser beiden Flipflops im wesentlichen
gleich sind, bedarf nur das HLS-Flipflop 123 einer ausführ
lichen Erläuterung.
Das HLS-Flipflop 123 spricht auf den dritten Impuls in
einem Steuersignalrahmen an (d. h., es spricht auf S0- und
S1-Impulse mit H-Pegel aus dem 2-Bit-Zähler 121 an), und
zwar auf eine Weise, die gestattet, den Flipflopausgang auf
den neuesten Stand zu bringen. Die Impulse S0 und S1 werden
als Eingangssignale an das NAND-Gatter 340 angelegt, dessen
Ausgangssignal die Übertragungsgatter 342 und 343 steuert.
Das Ausgangssignal des NAND-Gatters 340 wird an einen ersten
Satz von entgegengesetzt wirkenden Steueranschlüssen der
Übertragungsgatter 342 und 343 und an den Inverter 344 ange
legt. Das Ausgangssignal des Inverters 344 wird an einen
zweiten Satz von entgegengesetzt wirkenden Steueranschlüssen
der Übertragungsgatter 342 und 343 angelegt. Daher wird im
Betrieb durch das Auftreten eines dritten Impulses in dem
Steuersignalrahmen das Übertragungsgatter 343 eingeschaltet
und das Übertragungsgatter 342 ausgeschaltet. Da das Steuer
signal an den Eingang des Übertragungsgatters 343 angelegt
wird, wird das Signal zu dem D-Eingang des Flipflops 345
durchgelassen, wodurch das Signal HLS auf den neuesten
Stand gebracht wird, das dem Ausgang Q des Flipflop 345 ent
nommen wird. Das Ausgangssignal HLS wird außerdem zu dem
Eingang des Übertragungsgatters 342 rückgekoppelt, so daß
bei Nichtvorhandensein eines dritten Impulses in einem
Steuersignalrahmen der HLS-Wert verriegelt bleibt. Das Takt
signal CLK wird an den Takteingang C des Flipflops 345 ange
legt. Das Ausgangssignal des HLS-Flipflops 123 wird an den
Ausgangsselektor 120 angelegt.
Im Vergleich dazu arbeitet das Fehlwertflipflop 124 im we
sentlichen auf dieselbe Weise, es spricht aber auf den vier
ten Impuls in einem Rahmen an. Das heißt, das Fehlwertflip
flop spricht auf die Impulse S0 und S1 eines Steuersignal
rahmens an. Bemerkenswert ist jedoch die Tatsache, daß das
Ausgangssignal des Fehlwertflipflops 124 an dem -Ausgang
des Flipflops 353 abgenommen wird, so daß das komplementäre
Signal an den Ausgangsselektor 120 angelegt wird.
Bei normalen Operationen besteht die Funktion des Ausgangs
selektors 120 darin, das Steuersignal aus dem Flipflop 326
einfach zu invertieren und durchzulassen, wobei dieses Sig
nal dann das Ein/Aus-Signal wird, das an den Steuer- und
Abfühlabschnitt 113 (Fig. 4) angelegt wird. Bei einem Ver
lust von Übertragungen zwischen dem E/A-Punkt und dem Mikro
controller (d. h. einem Verlust des Steuersignals SIG) wird
jedoch das EIN/AUS-Ausgangssignal auf einen vorbestimmten,
gewünschten Zustand gebracht, welcher durch die Signale
und HLS bestimmt wird. Diese letztgenannten Signale werden
beide als Eingangssignale an den Ausgangsselektor 120 ange
legt. Falls es einen Verlust an Übertragungen gibt, hält der
Ausgangsselektor 120 entweder den letzten Zustand oder wählt
einen Fehlwertzustand, je nachdem, was vorgewählt worden
ist. Die Vorwahl erfolgt, um den E/A-Punkt in einen bevor
zugten, sicheren Zustand zu zwingen, sollte es einen Über
tragungsverlust geben.
Die Signale und HLS sind Eingangssignale des NOR-Gatters
335, dessen Ausgangssignal ein Eingangssignal des NOR-Gat
ters 337 ist. Das zweite Eingangssignal des NOR-Gatters 337
ist das Signal aus dem -Ausgang des Flipflops 326. Daher
steuert das NOR-Gatter 335 das NOR-Gatter 337, so daß, wenn
entweder oder HLS auf einem hohen Pegel ist, das NOR-
Gatter 337 einfach das Steuersignal aus dem Flipflop 326 in
vertiert. Andererseits, wenn auf einem L-Pegel ist (Ver
lust an Übertragungen), und HLS ebenfalls auf einem L-Pegel
ist, ist das Ausgangssignal des NOR-Gatters 335 auf einem
H-Pegel, wodurch das Ausgangssignal des NOR-Gatters 337 auf
einem L-Pegel gehalten wird.
Die Signale , HLS und DEF werden an das NOR-Gatter 336
angelegt, dessen Ausgangssignal ebenso wie das Ausgangssig
nal des NOR-Gatters 337 als Eingangssignal an das ODER-Gat
ter 338 angelegt wird. Das Ausgangssignal des ODER-Gatters
338 ist das EIN/AUS-Steuersignal. Bei einem Verlust an Über
tragungen ( niedrig, d. h. im L-Zustand) und keinem Kom
mando zum Halten des letzten Zustands (HLS niedrig, d. h. im
L-Zustand), wird daher das EIN/AUS-Ausgangssignal des ODER-
Gatters 338 als das Fehlwertsignal DEF gewählt (d. h.
wird durch das NOR-Gatter 336 invertiert). Die Arbeitsweise
ist deshalb so, daß,wenn es einen Verlust an Übertragungen
gibt und das Halten des letzten Zustands nicht gewählt ist,
ein Fehlwertzustand gewählt wird. Ob der letzte Zustand ge
halten wird, wenn der Fehlwertzustand gewählt wird, ist
selbstverständlich durch geeignetes Setzen des HLS-Flipflops
123 und des Fehlwertflipflops 124 steuerbar.
Vorstehend ist der Weg vorwärts durch den Steuer- und Über
tragungsabschnitt 111 ausführlich beschrieben. Die Rückkehr
von codierter Diagnoseinformation erfolgt gemäß obiger Be
schreibung durch das Zustandsflipflop 125 und die 1-aus-4-
Datenwählschaltung 129. Das Codieren der Information ist
ausführlich mit Bezug auf Fig. 10 erläutert, an dieser Stel
le ist die Feststellung ausreichend, daß die Eingangssignale
X0-X3 an dem Zustandsflipflop 125 codiert werden, damit sie
die Diagnose- und andere Information enthalten, die zu dem
Mikrocontroller 90 in Fig. 3 zurückzuleiten ist. Das Zustands
flipflop 125 kann eine im Handel erhältliche Vorrichtung sein,
wie beispielsweise das Modell MC14174, das von der Motorola
Inc. erhältlich ist. Die codierte Information X0-X3 wird in
das Zustandsflipflop 125 an der ansteigenden Flanke des SYNC-
Signals, das außerdem an den Zustandscodierer 125 angelegt
wird, eingegeben. Somit wird ein neuer Datensatz bei jedem
Rahmen des Steuersignals eingegeben. Diese Daten bilden
ein Diagnosesignal, welches die Betriebsparameter des E/A-
Punktes angibt.
Die Daten aus dem Zustandsflipflop 125 werden Bit für Bit
durch den 1-aus-4-Datenselektor 129 und über den Pufferver
stärker 360 zu dem Mikrocontroller 90 gesendet. Der Daten
selektor 129 spricht auf den Stromwert aus dem 2-Bit-Zäh
ler 121 an und bewirkt, daß die Werte von X0-X3 in der
Reihenfolge durchgelassen werden. Wenn beispielsweise der
erste Impuls in einem Rahmen empfangen wird, wird das X0-
Bit der Diagnosedaten daher gleichzeitig gesendet. Der Da
tenselektor 129 kann eine im Handel erhältliche Vorrichtung
sein, wie beispielsweise das Modell MC14052 von Motorola
Inc.
Fig. 10 zeigt eine Wahrheitstabelle für einen Zustandsco
dierer wie den Codierer 125 in Fig. 4. Ein Codierer gemäß
der Wahrheitstabelle in Fig. 10 kann leicht mit Standard
verknüpfungslogikelementen durch den Fachmann impelemtiert
werden.
In Fig. 10 sind die Eingangsbedingungen horizontal oben im
linken Teil der Tabelle aufgelistet. In den Spalten darun
ter sind die möglichen Werte angegeben, die jedes Eingangs
signal annehmen kann. In der Tabelle bedeuten "Einsen", daß
ein Wert wahr ist (z. B. ein Signal mit hohem oder H-Pegel),
"Nullen" bedeuten, daß ein Wert nicht wahr ist, und ein X
bedeutet jeweils "unbeachtlich" (d. h. kann entweder eins
oder null sein, ohne daß das eine Auswirkung hat). Das 4-
Bit-Ausgangssignal X0-X3 des Zustandscodierers 125 ist in
dem rechten Teil der Tabelle gezeigt, wobei X0-X3 horizon
tal über vier Spalten verteilt sind. Jede horizontale Zeile
in den vier Spalten ist somit ein 4-Bit-Wort, welches ein
deutig den Zustand des E/A-Punkts definiert. Das 4-Bit-Wort
sind die Diagnosedaten, die zu dem Mikrocontroller 90 nach
Fig. 4 und schließlich zu dem Controller CPU (Fig. 1) zurück
geleitet werden.
In der Wahrheitstabelle zeigt beispielsweise die erste Zei
le einen H-Pegel in der Spalte für niedrige Spannung, woge
gen die übrigen Spalten unbestimmte, d. h. unbeachtliche Zu
stände angeben. Unter diesen Umständen ist das 4-Bit-Wort
eindeutig bestimmt und besteht nur aus Nullen. Dieses nur
aus Nullen bestehende 4-Bit-Wort signalisiert einen Verlust
der E/A-Punkt-Stromversorgung. Weiter zeigt beispielsweise
die sechste Zeile, daß der Ausgang auf Ein befohlen ist,
daß aber der Ausgang in einem kurzgeschlossenen Zustand
ist. Das heißt, es erscheint eine Eins in Spalte eins unter
EIN/AUS, was anzeigt, daß der E/A-Punkt einzuschalten ist,
während es gleichzeitig eine Überstromanzeige in der Über
stromspalte (Spalte 6) gibt. Das 4-Bit-Ausgangswort für
diesen Zustand besteht aus lauter Nullen, mit der Ausnahme,
daß X3 auf dem 1-Pegel ist. Ebenso gibt es einen Satz von
fünfzehn eindeutigen 4-Bit-Wörtern, welche die verschiede
nen Bedingungen des E/A-Punktes definieren.
Das vorstehend beschriebene Ein-/Ausgabe-System ist beson
ders in Verbindung mit programmierbaren Controllern brauch
bar.
Claims (6)
1. Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung eines programmierbaren
Controllers mit einem Überstromschutz für die Ausgabe-
Steuerschaltung und mit
einer Schalteinrichtung (141, 161, 175, 176) zum
Einschalten einer angeschlossenen Last (150, 157, 191),
wobei die Schalteinrichtung durch ein Befehlssignal ein-
oder ausschaltbar ist und einen Hauptstromabschnitt zum
Führen eines Hauptteils des Laststroms und einen
Nebenschlußstromabschnitt zum Führen eines Bruchteils des
Laststroms aufweist, mit einer Stromabfühleinrichtung (145,
168, 180, 181, 183), die auf den Bruchteil des Laststroms
anspricht, um ein den Laststrom angebendes Signal zu
liefern, und mit einem Zwischenreferenzsignal und einer
ersten Komparatoreinrichtung (215), die das den Laststrom
angebende Signal und das Zwischenreferenzsignal empfängt
und die Schalteinrichtung zeitverzögert abschaltet, wenn
das den Laststrom angebende Signal das Zwischenreferenz
signal übersteigt.
2. Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (141, 161, 175,
176) einen IG-Transistor aufweist, der einen Stromabschnitt
hat, welcher dem Hauptstromabschnitt entspricht, und einen
Emulationsabschnitt, welcher dem Nebenschlußstromabschnitt
entspricht.
3. Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch:
ein zweites Referenzsignal, welches einen übergroßen Wert des Laststroms angibt und größer als das Zwischenreferenz signal ist; und
eine zweite Komparatoreinrichtung (207), die das den Laststrom angebende Signal und das zweite Referenzsignal empfängt und die Schalteinrichtung sofort abschaltet, wenn das den Laststrom angebende Signal das zweite Referenz signal übersteigt.
ein zweites Referenzsignal, welches einen übergroßen Wert des Laststroms angibt und größer als das Zwischenreferenz signal ist; und
eine zweite Komparatoreinrichtung (207), die das den Laststrom angebende Signal und das zweite Referenzsignal empfängt und die Schalteinrichtung sofort abschaltet, wenn das den Laststrom angebende Signal das zweite Referenz signal übersteigt.
4. Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch:
ein drittes Referenzsignal, welches einen Mindestwert des
Laststroms angibt und kleiner als das Zwischenreferenz
signal ist; und eine dritte Komparatoreinrichtung (214),
die das den Laststrom angebende Signal und das dritte
Referenzsignal empfängt, wobei die dritte Komparator
einrichtung ein Diagnosesignal, welches einen
unzureichenden Laststrom angibt, immer dann liefert, wenn
das den Laststrom angebende Signal kleiner als das dritte
Referenzsignal ist.
5. Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromabfühleinrichtung (145, 168,
180, 181, 183) einen Widerstand mit relativ niedrigem
Ohmwert aufweist.
6. Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Komparatoreinrichtung eine
Zeitsteuereinrichtung (216, 220) mit einem RC-Zeitglied
aufweist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/617,095 US4628397A (en) | 1984-06-04 | 1984-06-04 | Protected input/output circuitry for a programmable controller |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3519800A1 DE3519800A1 (de) | 1985-12-05 |
DE3519800C2 true DE3519800C2 (de) | 1994-03-31 |
Family
ID=24472228
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3519800A Expired - Lifetime DE3519800C2 (de) | 1984-06-04 | 1985-06-03 | Ein-/Ausgabe-Steuerschaltung eines programmierbaren Controllers mit einem Überstromschutz |
Country Status (5)
Country | Link |
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