DE4140302C2 - Schaltung mit als Quelle oder Senke schaltbarem Ausgang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektronischen Sensoren und Kontrolleinrichtungen und insbesondere sol­ che Schaltungen, die entweder ein Paar komplementärer Ausgänge oder einen primären Ausgang und einen nicht be­ zogenen (unabhängigen) Ausgang aufweisen (US 4982 107 A).

Elektronische Sensoren und entsprechende Steuereinrich­ tungen werden in großem Umfang bei industriellen Steue­ rungen verwendet. Photoelektrische Sensoren werden zum Beispiel zur Erfassung des Vorhandenseins oder Fehlens eines Objektes und zur entsprechenden Erzeugung eines Signales oder Schaltbefehles verwendet.

Unter binären Sensoren versteht man in Steuereinrichtun­ gen solche Sensoren, deren Ausgänge sich immer in einem von zwei möglichen Zuständen, zum Beispiel "EIN" oder "AUS" befinden. Dieses unterscheidet sie von Sensoren und Steuereinrichtungen, deren Ausgangssignale analoge Spannungen oder Ströme sind.

Binäre Sensoren gab es bisher im allgemeinen mit zwei Ausgängen, die zueinander jeweils komplementär waren. Wenn ein Ausgang leitend ist (EIN), ist der andere Aus­ gang nichtleitend (AUS). Ein Ausgang bewirkte die An­ steuerung einer Last, wenn zum Beispiel der Sensor das Vorhandensein eines Objektes erfaßte, während der andere Ausgang die Ansteuerung einer Last bewirkte, wenn bei diesem Beispiel der Sensor das Fehlen eines Objektes er­ faßte.

Durch die zunehmende Verwendung von programmierbaren lo­ gischen Steuerungen ("PLC's") und die weite Verbreitung von Billig-Computern ist der Bedarf nach komplementären Ausgängen in gewisser Hinsicht zurückgegangen, da Compu­ ter in einfacher Weise so programmierbar sind, daß sie intern das Komplement eines Eingangssignales erzeugen können. Trotzdem gibt es nach wie vor viele Anwender, die den Kauf von Sensoren mit komplementären Ausgängen bevorzugen, und die Hersteller von Sensoren müssen noch für einige Zeit entsprechende Schaltungen mit komplemen­ tären Ausgängen liefern.

Zusätzlich zu der zunehmenden Verwendung von PLC's im Bereich der Billig-Computer erwarten die Kunden Alarm- und Warnfunktionen, die in die Sensoren eingebaut sind, um auftretende Probleme im voraus zu melden und Wartun­ gen der Sensoren zu veranlassen. Folglich werden viele neue Sensoren mit einem Steuerausgang versehen, der den binären Zustand des Sensors (EIN oder AUS) anzeigt, so­ wie einem zweiten Alarmausgang, durch den der Anwender bei einem Sensorfehler alarmiert wird. Im allgemeinen wird das Alarmsignal zusätzlich mit einem entsprechenden Indikator auf dem eigentlichen Sensor angezeigt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung wird sowohl solchen An­ wendern gerecht, die komplementäre Ausgänge wünschen, als auch denen, die einen Alarm-Ausgang benötigen. Im allgemeinen werden solche Anwender, die eine PLC verwen­ den, in ihrem System eine Vielzahl von Sensoren haben und den Alarmmode so einstellen, daß sie die Alarmaus­ gänge mit gesonderten PLC-Eingangsschaltungen verbinden und auf diese Weise die Alarmbedingungen jedes Sensors überwachen können. Diejenigen Anwender, die keine PLC's verwenden, werden eher die komplementären Ausgänge benö­ tigen und nicht so sehr den Alarmausgang, da sie nur we­ nige Sensoren verwenden und die Alarmbedingung nach wie vor auf jedem Sensor angezeigt wird.

In der US-PS 4,982,107 A, auf die im folgenden Bezug ge­ nommen wird, ist eine Einrichtung offenbart, die Anwen­ dern sowohl einen Stromquellenausgang, als auch einen Stromsenkenausgang zur Verfügung stellt. Der Anwender wählt den als Stromquelle oder Stromsenke arbeitenden Ausgang über die Polarität der Versorgungsspannung aus.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung sowohl von komplementären Ausgängen als auch eines Alarmausganges mit der gleichen Vorrichtung besteht darin, eine Schaltung mit einem dritten Ausgang vorzusehen, so daß dem Benutzer der Sen­ sorausgang, sein Komplement und der Alarmausgang zur Verfügung stehen. Ebenfalls könnte ein Schalter vorgesehen werden, um auszuwählen, ob an dem zweiten Ausgang ein Komplement oder ein Alarmsignal anliegt. Nachteilig bei beiden Lösungen ist jedoch, daß sie einen relativ großen Schaltungsaufwand erfordern. Dieser Nachteil ist insbesondere im Hinblick auf eine gewünschte Miniaturi­ sierung gravierend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung mit einem als Quelle oder Senke schaltbaren Ausgang zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik wesentlich geringeren Aufwand erfordert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. 4. Die Unteransprüche haben vorteil­ hafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens zum In­ halt.

Erfindungsgemäß wird eine Schaltung mit zwei Ausgängen geschaffen, von denen einer ein primärer Ausgang ist, der das Sensorsignal wiedergibt und leitend ist, wenn das Sensorsignal anliegt. Der andere Ausgang (sekundärer Ausgang) kann entsprechend der Einstellung durch einen Benutzer entweder das Komplement des primären Ausgangs oder den Status eines Alarmsignales erzeugen, und zwar jeweils abhängig von der Polarität der Versorgungs- Gleichspannung (DC), die an der Einrichtung anliegt. Durch eine Diodenbrücke wird sichergestellt, daß an der Steuerschaltung eine Spannung mit der richtigen Polari­ tät unabhängig von der Polarität der Versorgungsspannung anliegt.

Ein Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung besteht dar­ in, daß mit dieser Schaltung wesentliche Verbesserungen beim Entwurf und der Auslegung von Sensoren und Steuereinrichtungen der oben beschriebenen Art möglich sind. Der Benutzer wählt die Betriebsart des sekundären Aus­ gangs durch Festlegung der Polarität der an die Steuer­ einrichtung angelegten Versorgungsspannung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung ei­ nes Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Die ein­ zige Figur zeigt ein schematisches Schaltbild einer be­ vorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schal­ tung.

In der in Fig. 1 gezeigten Schaltung sind ein primärer Ausgang und ein sekundärer Ausgang vorgesehen. Der se­ kundäre Ausgang erzeugt in Abhängigkeit von der Auswahl durch einen Benutzer entweder das Komplement des primä­ ren Ausgangs oder ein nicht bezogenes Ausgangssignal, wie zum Beispiel ein Alarmsignal, wobei der sekundäre Ausgang unabhängig von dem primären Ausgang arbeitet. Die Auswahl durch den Benutzer erfolgt durch entspre­ chende Festlegung der Polarität der Versorgungsspannung.

Der Sensor oder die Steuereinrichtung (nicht gezeigt), welche von der Erfindung erfaßt werden, wird gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 an einen Vcc-Anschluß 10 und einen gemeinsamen Steueranschluß 11 angelegt. Der Sensor bzw. die Steuereinrichtung würde weiterhin ein logisches Sensorsignal 18 und ein Alarmsignal 19 erzeugen. Bei­ spielhaft ist ein Sensorsignal 18 gezeigt, welches einen logischen "1"-Zustand annimmt, wenn der Sensor sich im EIN-Zustand befindet oder ein Objekt oder ein Ziel er­ faßt und welches sich in einem logischen "0"-Zustand be­ findet, wenn der Sensor sich im AUS-Zustand befindet oder kein Objekt oder Ziel erfaßt. Weiterhin ist beispielhaft das Alarmsignal 19 gezeigt, welches sich im logischen "1"-Zustand befindet, wenn an dem Sensor eine Alarmbedingung vorliegt und sich in einem logischen "0"- Zustand befindet, wenn kein Alarmzustand gegeben ist.

Die Verbindungen mit Anschlüssen 12-15 werden durch den Benutzer hergestellt. Der Benutzer legt eine DC-Ver­ sorgungsspannung von etwa 10 bis 30 Volt an die An­ schlüsse 12 und 15. Der Benutzer legt weiterhin eine Primärlast 16 an den Anschluß 13 sowie eine Sekundärlast 17 an den Anschluß 14 an. Die Primärlast 16 und die Se­ kundärlast 17 werden ebenfalls mit dem positiven An­ schluß der Versorgungsspannung verbunden, der an einem der Anschlüsse 12 oder 15 anliegt. Die primären oder se­ kundären Lasten können zum Beispiel Relais, Spulen oder Eingänge anderer logischer Schaltungen wie zum Beispiel PLC's sein.

Dioden 31 bis 34 bilden einen Brückengleichrichter, so daß an dem Sensorregler 60 eine Spannung mit geeigneter Polarität anliegt, unabhängig von der Polarität der Ver­ sorgungsspannung, die durch den Benutzer bestimmt wird und an den Anschlüssen 12 und 15 anliegt. Der Sensorreg­ ler 60 ist ein Serienregler mit drei Anschlüssen und zum Beispiel aus der allgemein bekannten 7800-Serie.

Die an die Primärlast 16 und die Sekundärlast 17 geführ­ ten logischen Pegel werden von Transistoren 41 bzw. 42 erzeugt. Der Transistor 41 ist der primäre Ausgangstran­ sistor, der Transistor 42 der sekundäre Ausgangstransi­ stor. Zwar stellen die gezeigten Transistoren 41 und 42 NPN-Typen dar, diese Transistoren können jedoch auch PNP-Typen sein oder stattdessen durch Relais, optische Koppler, Feldeffekttransistoren (FET's) oder andere Schalteinrichtungen ersetzt sein.

Widerstände 22 und 23 dienen zur Strombegrenzung und zur Steuerung der Höhe der zu den Basen der Transistoren 41 bzw. 42 geführten Ströme.

Ferner sind Gatter 51-55 als NAND-Gatter vorgesehen, die zur Steuerung des Betriebsmodes der Ausgänge dienen. Wie allgemein bekannt ist, gilt für jedes der Gatter 51-55, daß die Ausgänge jeweils nur dann auf logischem "0"-Pegel liegen, wenn an beiden Eingangsanschlüssen ei­ nes Gatters jeweils logische "1"-Pegel anliegen. Die Gatter 52 und 55, deren beide Eingänge jeweils miteinan­ der verbunden sind, arbeiten als Inverter. Alternativ dazu können natürlich auch Invertergates 52 und 55 ver­ wendet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wer­ den jedoch NAND-Gatter 52 und 55 verwendet, um einen einheitlichen Gattertyp in der Schaltung zu haben.

Ein Widerstand 21 dient zur Übertragung der Versorgungs­ spannung vom Anschluß 12 zu einem Knotenpunkt 20. Eine Diode 35 dient zur Begrenzung dieser Spannung am Knoten­ punkt 20, so daß diese nicht die geregelte Steuerspan­ nung Vcc überschreiten kann. Auf diese Weise wird am Knotenpunkt 20 ein logischer Pegel aufgebaut, der zu den Eingängen der NAND-Gatter 51 und 52 geführt wird.

Bei der ersten Betriebsart ist der Anschluß 13 der pri­ märe Ausgang, der sekundäre Ausgang am Anschluß 14 stellt das Komplement des primären Ausganges dar. Zur Einstellung dieser Betriebsart würde ein Benutzer den positiven Pol der Versorgungsspannung mit dem Anschluß 12 und dem negativen Pol mit dem Anschluß 15 verbinden.

Aufgrund des positiven Potentials am Anschluß 12 liegt ein logischer "1"-Pegel an den Knotenpunkt 20 an. Vom Knotenpunkt 20 gelangt der logische "1"-Pegel zu dem Gatter 52, so daß demzufolge der Ausgang des Gatters 52 einen logischen "0"-Pegel annimmt. Dieser logische "0"- Ausgangspegel des Gatters 52 wird zu einem Eingang des Gatters 53 geführt. Da der Ausgang des Gatters 52 auf logischem "0"-Pegel bleibt, bleibt der Ausgang des Gat­ ters 53 auf logischem "1"-Pegel. Solange die positive Versorgungsspannung am Anschluß 12 anliegt, geht der Ausgang des Gatters 53 niemals auf "0". Demzufolge hat das an dem anderen Eingang des Gatters 53 anliegende Alarmsignal keinen Einfluß auf den Ausgang dieses Gat­ ters 53. Das Alarmsignal übt folglich auch keinen Ein­ fluß auf den sekundären Ausgangstransistor 42 aus.

Bei diesem komplementären Betriebsmode ist es durch den "1"-Pegel am Knotenpunkt 20, der auch am Eingang des Gatters 51 anliegt, möglich, daß das Sensorsignal 18 über die Gatter 51, 54 und 55 den sekundären Ausgangs­ transistor 42 steuert. Wenn zum Beispiel das Sensorsig­ nal 18 "1" ist, wird der Transistor 41 über den Wider­ stand 22 durch die hohe Spannung eingeschaltet. Der Primärausgang ist in diesem Falle "EIN". Das auf "1" be­ findliche Sensorsignal 18 verursacht weiterhin einen lo­ gischen "0"-Pegel am Ausgang des Gatters 55. Der Ausgang des Gatters 51, an dem "0"-Pegel anliegt, befindet sich auf "1"-Pegel. Der Ausgang des Gatters 54, an dessen beiden Eingängen "1"-Pegel anliegt, liegt auf logischem "0"-Pegel. Die niedrige Spannung am Ausgang des Gatters 54 reicht nicht aus, um den Transistor 42 einzuschalten. Dieser Transistor, der den komplementären Ausgang am An­ schluß 14 steuert, ist folglich im "AUS"-Zustand.

Wenn das Sensorsignal 18 "0" ist, ist der Transistor 41 im "AUS"-Zustand. Der Ausgang des Gatters 55 hat "1"-Pe­ gel. Der Ausgang des Gatters 51, dessen beide Eingänge auf hohem Pegel liegen, befindet sich auf einem logi­ schen "0"-Pegel. Das Gatter 54, an dem ein logischer "0"-Pegel anliegt, hat an seinem Ausgang einen logischen "1"-Pegel. Die hohe Spannung am Ausgang des Gatters 54 erzeugt einen genügend hohen Basisstrom durch den Wider­ stand 23, um den Transistor 42 einzuschalten. Wenn sich der primäre Ausgang im "AUS"-Zustand befindet, ist folg­ lich der durch den Transistor 42 gesteuerte sekundäre (komplementäre) Ausgang im "EIN"-Zustand.

Im zweiten Betriebsmode wird der sekundäre Ausgang am Anschluß 14 durch das Alarmsignal 19 oder andere Signa­ le, die in keiner Beziehung zu dem Sensorsignal 18 ste­ hen, gesteuert. Der Benutzer stellt diesen Betriebsmode durch Umkehrung der Polarität der Versorgungsspannung ein, so daß die negative Versorgungsspannung am Anschluß 12 und die positive Versorgungsspannung am Anschluß 15 anliegen.

Eine negative Versorgungsspannung am Anschluß 12 erzeugt einen logischen "0"-Pegel am Knotenpunkt 20. Dieser lo­ gische "0"-Pegel, der an die Eingänge der Gatter 51 und 52 geführt wird, verursacht einen logischen "1"-Pegel an den Ausgängen der Gatter 51 und 52. Solange die negative Versorgungsspannung am Anschluß 12 anliegt, bleiben die Ausgänge der Gatter 51 und 52 auf hohem Pegel. Das Sen­ sorsignal 18 verursacht folglich keine Steuerung über den Ausgang des Gatters 51 und beeinflußt demzufolge nicht den sekundären Ausgangstransistor 42. Ferner kann mit dem Alarmsignal 19 über die Gatter 53 und 54 direkt der sekundäre Ausgangstransistor 42 gesteuert werden.

Wenn z. B. das Alarmsignal 19 auf hohem Pegel liegt, ist der Ausgang des Gatters 53, dessen beide Eingänge eben­ falls auf hohem Pegel liegen, auf "0"-Pegel. Der Ausgang des Gatters 54, dessen Eingang auf "0"-Pegel liegt, ist auf hohem Pegel und schaltet den sekundären Ausgangs­ transistor 42 ein. Wenn im umgekehrten Fall das Alarmsi­ gnal 19 auf "0"-Pegel ist, ist ebenfalls der Ausgang des Gatters 54 auf "0"-Pegel und der Transistor 42 ausge­ schaltet.

In der bevorzugten Ausführungsform ist ein Alarmsignal gezeigt, welches in keiner Beziehung zum Sensorsignal steht. Ein Alarmsignal wäre ein typisches Signal, wel­ ches bei einer Anwendung der Erfindung in Sensoren oder Steuereinrichtungen verwendet werden würde. Dieses Signal kann jedoch durch den Benutzer ausgewählt werden und jedes gewünschte Signal darstellen.

Die obige Erläuterung des Ausführungsbeispiels erfolgte anhand von "0"- und "1"-Pegeln. Mit diesen Pegeln sind jeweils logisch unterscheidbare, niedrige und hohe Span­ nungen gemeint, die in Abhängigkeit von den verwendeten Schaltelementen verschiedene Werte annehmen können.

Claims (3)

1. Schaltung mit als Quelle oder Senke schaltbaren Aus­ gang, deren beide Betriebsmodi mit Hilfe der Polarität der Versorgungsspannung einstellbar sind, gekennzeichnet durch:
Eingabeeinrichtungen mit ersten und zweiten Eingangs­ anschlüssen (12, 15) zur Zuführung einer Versorgungs­ spannung zu der Schaltung,
Ausgabeeinrichtungen, die auf erste und zweite Ein­ gangssignale (18, 19) ansprechen und an erste und zweite Aus­ gangsanschlüsse (13, 14) entweder ein erstes Ausgangs­ signal und ein Komplement des ersten Ausgangssignals in einem ersten Betriebsmodus anlegen, oder in einem zweiten Betriebsmodus ein erstes Ausgangssignal und ein zweites Ausgangssignal, welches unabhängig von dem er­ sten Ausgangssignal ist, erzeugen, und
Steuereinrichtungen (51-55), an denen die ersten und zweiten Eingangssignale anliegen und die mit den Ein­ gabeeinrichtungen und den Ausgabeeinrichtungen verbun­ den sind, wobei die Steuereinrichtungen den ersten Be­ triebsmodus einstellen, wenn der erste Eingangsanschluß (12) in Bezug auf den zweiten Eingangsanschluß (15) positiv ist, und den zweiten Betriebsmodus einstellen, wenn der zweite Eingangsanschluß (15) in Bezug auf den ersten Eingangsanschluß (12) positiv ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1 mit einer Steuereinrich­ tung, gekennzeichnet durch:
einen ersten Transistor (41) mit einem Kollektor, der mit dem ersten Ausgangsanschluß (13) verbunden ist, sowie einem Emitter und einer Basis,
einen zweiten Transistor (42) mit einem Kollektor, der mit dem zweiten Ausgangsanschluß (14) verbunden ist, sowie einem Emitter, der mit dem Emitter des ersten Transistors (41) und einer Basis (11) verbunden ist, und
logische Schaltglieder (51-55) zur Steuerung des er­ sten und zweiten Transistors (41, 42), die mit der Ba­ sis des ersten Transistors (41), der Basis des zweiten Transistors (42) und dem ersten Eingangsanschluß (12) verbunden und so geschaltet sind, daß die ersten und zweiten Eingangssignale (18, 19) an den logischen Schalt­ gliedern anliegen.

3. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch logische Schaltglieder mit:
einem ersten Inverter (52) mit einem Eingang, der mit dem ersten Eingangsanschluß (12) der Eingabeeinrich­ tung verbunden ist, sowie einem Ausgang,
einem zweiten Inverter (55) mit einem Eingang, der mit der Basis des ersten Transistors (41) verbunden ist und das erste Eingangssignal (18) erhält, sowie einem Aus­ gang,
einem ersten NAND-Gatter (51) mit einem ersten Ein­ gangsanschluß, der mit dem Eingang des ersten Inver­ ters (52) verbunden ist und dessen zweiter Eingangsan­ schluß an dem Ausgang des zweiten Inverters (55) an­ liegt, sowie einem Ausgangsanschluß,
einem zweiten NAND-Gatter (53) mit einem ersten Ein­ gangsanschluß, dem das zweite Eingangssignal zugeführt wird und dessen zweiter Eingangsanschluß mit dem Aus­ gang des ersten Inverters (52) verbunden ist, sowie einem Ausgangsanschluß, und
einem dritten NAND-Gatter (54) mit einem ersten Ein­ gangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des ersten NAND-Gatters (51) verbunden ist und dessen zweiter Eingangsanschluß an dem Ausgangsanschluß des zweiten NAND-Gatters (53) anliegt, sowie einem Ausgangs­ anschluß, der mit der Basis des zweiten Transistors (42) verbunden ist.