DE3621022A1 - Fehlersicheres und-glied - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein fehlersicheres UND-Glied, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Solche UND-Glieder gehen z. B. aus der DE-PS 33 33 612 hervor. Sie sind für eine fehlersichere UND-Verknüpfung statischer Eingangssignale (Gleichsignale) vorgesehen, die einzeln an solche reihengeschalteten fehlersicheren UND-Glieder angeschlossen sind. Dabei werden die UND-Glieder von gegenphasigen dynamischen Signalen durchlaufen, die als Kriterium nur weitergegeben werden, wenn das zugehörige statische Eingangssignal im Bereich logisch 1 liegt. Die bekannte Anordnung verwendet UND-Glieder, die eine sichere Verknüpfung von Gleichspannungssignalen zu logischem UND gestattet, wobei keine "falsche 1" im Fehlerfall ausgegeben wird. Die Schaltung ist damit signaltechnisch sicher nach DIN 57 831/32 und entspricht auch den Sicherheitsanforderungen der Industrietechnik nach DIN 57 116. Nachteilig bei der bekannten Schaltung ist, daß die verwendeten UND-Glieder in sich durch Spezialbauteile und auch aufgrund der systembedingten Gegenphasigkeit sehr aufwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein UND-Glied zu entwickeln, das einfacher aufgebaut ist, keine Spezialbauteile sondern nur handelsübliche Bauteile enthält und trotzdem voll den angesprochenen Sicherheitsniveaus einschließlich der DB-Richtlinie für höhere Sicherheitsanforderung nach Mü 8004 Rechnung trägt.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die Erfindung ergibt sich eine einfache, elektrisch und thermisch stabile Schaltung für ein UND-Glied, bei der der Sicherheitsnachweis auf der Bauelementen-Ebene noch mit vertretbarem Aufwand geführt werden kann.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Die Figur zeigt den Schaltungsaufbau eines UND-Gliedes nach der Erfindung. Um zwei Gleichstromsignale konjunktiv zu verknüpfen, sind zwei solcher UND-Glieder in Reihe zu schalten. Will man weiterhin das Verknüpfungsergebnis als Gleichspannung ausgeben, ist noch eine Kleinleistungsendstufe (nicht näher dargestellt), nachzuschalten.

In der Figur ist mit A der Eingang für das statische Eingangssignal U _e , mit B der Eingang für das dynamische 1 MHz-Signal U _de und mit C der Ausgang für das dynamische 1 MHz-Signal U _da bezeichnet. Die Schaltung besteht aus den Teilen Eingangsnetzwerk I, Ausgangsnetzwerk II, Konstantstromquelle (mit Gleichstrom-Signaleingang) III und Schaltstufe V 1.

Das Prinzip der Schaltung ist, daß ein vom dynamischen Eingang B über das Eingangsnetzwerk I an das Gate G eines Schalttransistors als Schaltstufe V 1 gelangendes 1 MHz-Signal durch V 1 verstärkt wird und über das Ausgangsnetzwerk II an den Schaltungsausgang C nur geführt wird, wenn die Schaltstufe V 1 über die Konstantstromquelle III mit statischer Betriebsgleichspannung U _e ausreichender Höhe (entsprechend statischem 1-Signal) versorgt wird. Wenn V 1 spannungslos ist, wird das 1 MHz-Signal nicht an den Ausgang C durchgeschaltet.

Die Sicherheitseigenschaft dieser Schaltung beruht darauf, daß bei Nichtvorhandensein des Gleichspannungs-1-Signals U _e - auch durch Bauelementeausfälle - ein am Eingang B liegendes 1 MHz-Signal U _de nur mit einer geringen Amplitude am Ausgang C der Schaltung liegt. Diese Ausgangsamplitude wird von einer nachfolgenden UND-Schaltung gleicher Art oder einer folgenden Kleinleistungsendstufe nicht mehr als dynamisches Ein-Signal erkannt.

Zu den einzelnen Schaltungsteilen:

Die Konstantstromquelle III besteht aus dem Junction-Feldeffekttranssistor V 9 und dem Source-Widerstand R 3. Die Schaltung ist auf einen Konstantstrom vom ca. 3 m^A eingestellt. Die Konstantstromquelle III versorgt die Schaltstufe V 1 mit der Energie des statischen Eingangssignals U _e .

Als Schaltstufe V 1 findet ein Junction-Feldeffekttransistor Verwendug, dem ein Drain-Widerstand R 1 zugeordnet ist. Die Aufgabe der Schaltstufe ist es, bei anliegender Spannungsversorgung U _e über die Konstantstromquelle 3 ( log.1) das 1 MHz-Signal U _de ausreichend zu verstärken. Dabei hält die Z-Diode V 8 die Spannung am Drain-Widerstand R 1 konstant und der Kondensator C 6 leitet den 1 MHz-Schaltstrom nach Masse ab.

Das Eingangsnetzwerk I besteht im wesentlichen aus den Koppelkondensatoren C 1 und C 2 sowie der Klemmdiode V 2. Der Widerstand R 4 verbindet das Gate von V 1 gleichstrommäßig mit Masse.

Diese Netzwerksauslegung besitzt die Eigenschaft, daß bei einem Schluß von Koppelkondensator C 1 das ansteuernde 1 MHz-Signal nach Masse kurzgeschlossen wird ( bemerkbarer Fehler). Ein Abriß von Klemm- Diode V 2 ist zunächst nicht bemerkbar. Das ist aber ungefährlich, da noch zwei weitere Ausfälle hinzutreten müssen (z. B. Kurzschluß von C 1 und C 2), ehe das dynamische Eingangssignal U _de überhaupt am Gate G des Schalttransistors V 1 auftreten kann. Und auch dieser Dreifachfehler ergibt noch keinen gefährlichen Fehler, sondern einen BF (bemerkbaren Fehler), da das positive Eingangssignal über Diode V 3 und die leitende Gate-Source- Strecke von V 1 nach Masse kurzgeschlossen wird.

Wie ersichtlich, ist das Eingangsnetzwerk (ebenso wie das noch im folgenden beschriebene Ausgangsnetzwerk II) nach dem Prinzip der verteilten Kopplung aufgebaut. Es müssen mehrere Fehler eintreten, bevor die kapazitive Kopplung stark ansteigt. Die Verwendung der Klemmdiode V 2 macht den Schluß von Koppelkondensator C 1 bemerkbar. Der Schluß von Koppelkondensator C 2 dagegen ist:

• a) nicht bemerkbar, da die Potentialumkehr von Koppelkondensator C 1 aufrecht erhalten wird,
• b) kein gefährlicher Fehler, da der 1 MHz-Eingang nur unwesentlich empfindlicher wird.

Das Ausgangsnetzwerk II besteht ebenfalls aus Dioden (V 4, V 5, V 6, V 7), Kondensatoren (C 3, C 4, C 5) und einem Widerstand R 2 und liegt zwischen dem Drain- Anschluß von Schaltstufe V 1 und dem Schaltungsausgang C. Die Struktur ist der des Eingangsnetzwerkes ähnlich (C 1, C 2, V 2 C 3, C 4, V 5). Die restlichen noch ersichtlichen Bauteile klemmen den 1 MHz-Ausgang positiv gegen Masse, sorgen für weitere Signaldämpfung und verhindern eine (über lange Ausfallketten theoretisch mögliche) Gleichstromspeisung der Schaltstufe V 1 aus der Energie einer nachfolgenden Stufe (UND-Glied oder Kleinleistungsendstufe).

Auch in diesem Netzwerk müssen erst mehrere Ausfälle zusammen auftreten, ehe die Koppelkapazität zur nächsten Stufe wesentlich ansteigt.

Weitere Bauteile, die übergreifend im Eingangs- und Ausgangsnetzwerk zu finden sind, sind die Dioden V 3, V 4 und V 16. Diese Dioden begrenzen das überkoppelnde Signal, wenn V 1 einen Gate-Drain-Schluß mit Unterbrechung der Source hat. Im ausfallfreien Zustand sind diese Dioden wirkungslos bzw. sie wirken nur über ihre geringe Kapazität als Querableitung für das 1 MHz-Signal.

Weiter sind noch die Dioden V 14 und V 15 angegeben. Diese Dioden wirken als Spannungsbegrenzer für das dynamische Signal. Im ausfallfreien Zustand sind sie wirkungslos. Erst wenn durch Ausfälle in der ansteuernden Schaltung die Amplitude des dynamischen Signals extrem ansteigt, begrenzt die Z-Diode V 15. Damit die große Kapazität von V 15 das dynamische Signal nicht ableitet, ist sie durch die kapazitätsarme Diode V 14 entkoppelt.

Im Bereich der Konstantstromquelle III sind noch die Bauteile R 5 und C 11 angeführt. Sie gehören nicht zur Grundausstattung und ermöglichen eine Ausschaltverzögerung. Die weiter benannte Diode V 10 verhindert ein Entladen des Kondensators C 11 über die Signalquelle. Der noch dargestellte Kondensator C 12 gehört ebenfalls nicht zur Grundausstattung des UND- Gliedes. Er ermöglicht eine Einschaltverzögerung.

Mehrere solcher erfindungsgemäße UND-Glieder werden üblicherweise in Kette geschaltet, wobei das letzte UND-Glied vor einer Kleinleistungsendstufe dann im Ausgangsnetzwerk mit größeren Koppelkapazitäten C 3, C 4, C 5 ausgestattet ist, um die Kleinleistungsendstufe ordnungsgemäß zu treiben.

Durch die Erfindung kann die gestellte Aufgabe, ein sicheres UND-Glied in Gleichstromtechnik zu schaffen, mit handelsüblichen Mitteln und auf besonders einfache Weise erreicht werden.

Claims (3)

1. Fehlersicheres UND-Glied, das von wenigstens einem dynamischen Signal durchlaufen wird, wobei dieses eingangsseitig eingespeiste dynamische Signal als Kriterium nur weitergegeben wird, wenn ein zugehöriges statisches Eingangssignal im Bereich logisch 1 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das UND-Glied aus einem Eingangsnetzwerk (I), einem Ausgangsnetzwerk (II) und einer dazwischen liegenden Schaltstufe (V 1) besteht, die vom statischen Eingangssignal (U _e ) über eine Konstantstromquelle (III) gesteuert wird, wobei das dynamische Signal (U _de ), das über das Eingangsnetzwerk (I) an die Schaltstufe (V 1) gelegt ist, von dort über das Ausgangsnetzwerk (II) an den Schaltungsausgang (C) geführt ist.

2. Fehlersicheres UND-Glied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsnetzwerk (I), das im wesentlichen aus in Reihe liegenden Koppelkondensatoren (C 1, C 2) sowie einer zwischengeschalteten querliegenden Klemmdiode (V 2) mit Durchlaßrichtung an Masse besteht, an das Gate (G) eines Feldeffekttransistors als Schaltstufe (V 1) gelegt ist, dessen Drain-Anschluß (D) mit dem Ausgangsnetzwerk (II) sowie über seinen Drain-Widerstand (R 1) mit der Konstantstromquelle (III) und dessen Source-Anschluß (S) mit Masse verbunden ist.

3. Fehlersicheres UND-Glied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsnetzwerk (II) im wesentlichen aus in Reihe liegenden Koppelkapazitäten (C 3, C 4, und ggf. C 5) sowie einer zwischengeschalteten querliegenden Klemmdiode (V 5) mit Durchlaßrichtung an Masse besteht.