DE4321971A1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, der an Eingangsklemmen eine Versorgungsspannung zuführbar ist, die über Schaltmittel an Ausgangsklemmen schaltbar ist.

In redundanten Systemen sind häufig neben redundierten Teilsystemen in Form von Zentraleinheiten ein oder mehrere Subsysteme in Form von Erweiterungseinheiten ebenfalls re­ dundant ausgebildet. In einem solchen aus dem Siemens- Katalog MP 66, Ausgabe 1991, bekannten System sind jeweils die Zentraleinheiten in einer 1-von-2-Redundanzstruktur redundiert und über redundante Umschaltbaugruppen mit Prozeßein-/-ausgabeteilen gekoppelt. Die redundanten Zentraleinheiten sind jeweils mit einer eigenen Strom­ versorgung zur Versorgung der elektronischen Bauteile versehen, die im allgemeinen mit einer Spannung von + 5 Volt mit relativ strengen Toleranzanforderungen zu versorgen sind. Dabei ist es erforderlich, daß die Teil- und Subsysteme unabhängig voneinander arbeiten, d. h., die Subsysteme sollen arbeiten, auch wenn ein Teilsystem nicht arbeitet oder defekt ist. Dies bedeutet, daß die Strom­ versorgungen der Teil- und Subsysteme entsprechend aus­ gelegt sein müssen.

Damit die Stromversorgung eines Subsystems unabhängig von der eines Teilsystems ist, ist in der Siemens- Betriebsanleitung "TELEPERM M - Automatisierungssystem AS 235 H", Ausgabe 1990, vorgeschlagen, das Subsystem mit einem eigenen Netzgerät auszustatten. Dies ist kosten­ intensiv und insbesondere aufwendig, falls das Netzteil des Subsystems nur gering belastet wird und die bereits vorhandenen Stromversorgungen der redundanten Teilsysteme so ausgelegt sind, daß sie diese geringe Leistung zusätz­ lich aufbringen könnten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits eine Versorgungsspannung an den Eingangsklemmen an die Ausgangsklemmen sicher weiterleitet und andererseits ein Durchschalten einer Spannung von den Ausgangsklemmen an die Eingangsklemmen sicher verhindert. Die Schaltungsanordnung soll insbesondere in redundanten Systemen, z. B. in redundanten Automatisierungssystemen, verwendet werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden in redundanten Systemen Netzgeräte für die Subsysteme nicht mehr benötigt. Die Netzgeräte der Teilsysteme erzeugen jeweils eine Versorgungsspannung, die über die Schaltungs­ anordnungen den Subsystemen zugeführt wird. Fällt die Spannung eines Teilsystems unter die Versorgungsspannung eines anderen Teilsystems, z. B. infolge eines Kurz­ schlusses, so öffnet ein elektronischer Schalter der diesem kurzgeschlossenen Teilsystem zugeordneten Schal­ tungsanordnung und trennt die Verbindung zwischen diesem Teilsystem und dem Subsystem. Das Subsystem wird vom störungsfreien Teilsystem versorgt, und das gestörte Teilsystem wirkt sich nicht störend auf die anderen Teil­ nehmer des Systems aus.

In einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 wird verhindert, daß sich z. B. ein Kurz­ schluß im Subsystem störend auf die Teilsysteme auswirkt. In diesem Fall trennen die Schaltungsanordnungen die Ver­ bindung zwischen dem Subsystem und den Teilsystemen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Bevorzugt wird die Erfindung in einem redundanten System mit mindestens einem ersten und zweiten Teilsystem, die jeweils eine Stromversorgung aufweisen und jeweils mit einem weiteren Teilsystem verbunden sind, eingesetzt.

Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht sind, werden die Erfindung, deren Ausgestaltungen sowie Vorteile näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines redundanten Systems,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine weitere Schaltungsanordnung gemäß der Erfin­ dung.

In Fig. 1 sind mit TS1, TS2 Teilsysteme eines redundanten Systems bezeichnet, die über Netzgeräte NG1, NG2 mit einer 5-Volt-Spannung versorgt werden. Über Schaltungsanord­ nungen SA1, SA2 sind die Teilsysteme TS1, TS2 mit einem Subsystem SS verbunden, das ebenfalls von den Netzgeräten NG1, NG2 mit der 5-Volt-Spannung versorgt wird. Die Schal­ tungsanordnungen SA1, SA2 sind derart ausgebildet, daß die 5-Volt-Versorgung dem Subsystem SS zugeleitet wird, falls die Spannung an dem jeweiligen Eingang EI der Schaltungs­ anordnungen SA1, SA2 ungefähr gleich der Spannung an den Ausgängen AU ist. Dadurch wird verhindert, daß, z. B. im Falle eines Kurzschlusses in dem Teilsystem TS1, der Betrieb des Teilsystems TS2 und des Subsystems SS gestört wird. Für den Fall, daß ein Kurzschluß im Subsystem SS auftritt, begrenzen die Schaltungsanordnungen SA1, SA2 den Strom derart, daß störende Einflüsse auf die Teilsysteme TS1, TS2 vermieden werden.

Der Aufbau der Schaltungsanordnungen SA1, SA2 sowie deren Funktions- und Wirkungsweise ist in Fig. 2 verdeutlicht. Mit E1, E2 sind die Eingangsklemmen bezeichnet, denen eine Versorgungsspannung zuführbar ist. Diese wird über Schalt­ mittel in Form eines ersten und zweiten steuerbaren Schal­ ters an Ausgangsklemmen A1, A2 weitergeleitet. Die Schal­ ter sind als Feldeffekttransistoren T1, T2, vorzugsweise als sogenannte TEMPFET, ausgebildet. TEMPFETS (Temperature Protected Fets) sind aus dem Siemens-Datenbuch "SIPMOS- Halbleiter", Ausgabe 1991/92, bekannt und sind Leistungs­ feldeffekttransistoren mit einem eingebauten, thermisch gekoppelten Temperatursensor in der sogenannten Chip-on- Chip-Technologie. Sie bieten integrierte Schutzfunktionen gegen Übertemperatur, Überlast und Kurzschluß. Wie alle Feldeffekttransistoren lassen sie sich mit einer Gate- Source-Spannung von wenigen Volt leistungslos ansteuern. Der angesteuerte Feldeffekttransistor verhält sich wie ein ohmscher Widerstand, d. h., der Source-Drain-Spannungs­ abfall in beiden Stromrichtungen ist stromproportional. Das bedeutet, es gibt keinen Mindestschwellspannungsabfall wie bei bipolaren Transistoren und Dioden. Wie viele FETS haben auch die TEMPFETS technologiebedingt zwischen Source und Drain eine bipolare Diode DT, die für Ströme in Rück­ wärtsrichtung unabhängig von der Ansteuerung immer durch­ lässig ist. Diese Diode kann den spezifizierten Maximal­ strom dauernd führen. Sie ist in den meisten Anwendungen erwünscht, wo sie oft ansonsten notwendige externe Frei­ laufdioden ersetzt. In dem dargestellten Beispiel erfor­ dern diese technologiebedingten Dioden allerdings den Einsatz von zwei hintereinandergeschalteten TEMPFETS, derart, daß die Source-Elektroden einen gemeinsamen Ver­ bindungspunkt aufweisen. Selbstverständlich können auch andere steuerbare Schalter, wie Bipolartransistoren oder abschaltbare Thyristoren, eingesetzt werden.

Eine Steuerspannung U_S, z. B. 24 Volt, steuert über Wider­ stände R2, R3 und R6, R7 die Transistoren T1, T2 an, und eine Spannung von ca. 12 Volt an den Steuereingängen G der Transistoren T1, T2 bewirkt, daß diese durchsteuern und die 5-Volt-Eingangsspannung an die Ausgangsklemmen A1, A2 führen. Die bipolare Diode DT des Transistors T2 wird während der Ansteuerung überbrückt, so daß kein Vorwärts­ spannungsabfall an dieser Diode auftritt. Ansteuermittel in Form eines Komparators K2 mit entsprechender Wider­ standsbeschaltung R4, R5 erfassen die Polarität des Span­ nungsabfalls über der Drain-Source-Strecke des Transistors T1. Am nichtinvertierenden Eingang 3 des Komparators K2 liegt eine Spannung, die um den Spannungsabfall an der Drain-Source-Strecke des Transistors T1 höher ist als an seinem invertierenden Eingang 2, wodurch am Ausgang 1 des Komparators die maximale Ausgangsspannung liegt und der Transistor T2 durchgesteuert bleibt. Für den Fall, daß die Eingangsspannung der Schaltungsanordnung, z. B. in­ folge eines Kurzschlusses im Teilsystem TS1 (Fig. 1), unter die Spannung an den Klemmen A1, A2 abfällt, fließt kurzzeitig ein Strom in Richtung der Eingangsklemme E1. Das Potential am invertierenden Eingang 2 des Komparators ist nun höher als am nichtinvertierenden Eingang 3, und die Ausgangsspannung des Komparators am Ausgang 1 vermin­ dert die Gate-Steuerspannung des Transistors T2 auf einen Spannungswert, der den Transistor T2 sperrt. Das an den Ausgangsklemmen A1, A2 angeschlossene Subsystem SS bzw. Teilsystem TS2 (Fig. 1) wird nicht gestört.

Um eine auf einen maximalen Strombedarf des Subsystems SS auslegbare Strombegrenzung zu erreichen, wird der von einem Laststrom in Richtung der Ausgangsklemme A1 bewirkte Spannungsabfall an der Source-Drain-Strecke des Transi­ stors T2 von weiteren Mitteln der Ansteuereinheit erfaßt. Dazu ist ein weiterer Komparator K1 und ein aus Wider­ ständen R8, R9 bestehender Spannungsteiler vorgesehen. Diese Widerstände R8, R9 sind entsprechend der gewünschten Strombegrenzung dimensioniert. Das Potential des gemein­ samen Verbindungspunktes der Widerstände R8 und R9 ist auf den nichtinvertierenden Eingang 5 des Komparators K1 ge­ führt, dessen invertierender Eingang über den Widerstand R5 an der Source-Elektrode des Transistors T2 liegt. Der Transistor T2 übernimmt die Funktion eines Meßwider­ standes. Bei einem zu hohen Laststrom bewirkt der Span­ nungsabfall an der Source-Drain-Strecke, daß der inver­ tierende Eingang 6 des Komparators K1 mit einem höheren Potential beaufschlagt ist als der nichtinvertierende Eingang 5 des Komparators K1. Die Ausgangsspannung des Komparators K1 am Punkt 7 vermindert somit die Steuer­ spannung am Gate-Anschluß des Transistors T1, wodurch dieser sperrt. Dadurch wird der Laststrom in Richtung der Ausgangsklemme A1 auf den voreingestellten Wert begrenzt.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel wird bei einem Laststrom von etwa 3,5 Ampere der Transistor T1 gesperrt. Ein Widerstand R10 ergibt mit dem Widerstand R5 zusammen ein sogenanntes Fold-Back-Verhalten, das einen Kurzschluß­ strom und damit auch einen Anlaufstrom auf etwa 3 Ampere begrenzt. Bei diesem Kurzschlußstrom kommt ein Transistor, z. B. des Typs BTS 140 A, ohne Kühlkörper bei Raumtempera­ tur in seine thermische Begrenzung, und er kann sich bei einer ohmschen Last von 5 Volt : 3 Ampere noch daraus "erholen". Mit dem Widerstandsverhältnis R9/R8 läßt sich der Einsatz der Strombegrenzung in einem weiten Bereich variieren und mit dem Widerstand R10 der erforderliche Anlaufstrom einstellen. Eine Zenerdiode D2 verhindert ein unzulässiges Ansteigen der Spannung von unbelasteten Ein- und Ausgängen über R1, D1 und die Dioden der Transistoren T1, T2 über + 5 Volt hinaus. Kondensatoren C3 und C7 be­ wirken ein schnelles Abschalten der Transistoren T1 und T2, Kondensatoren C1 . . . C5 verhindern Schwingungen der Schaltungsanordnung.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung. Die in den Fig. 2 und 3 gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. In dieser vereinfacht ausgebildeten Schaltungsanordnung sind die Komparatoren (Fig. 2) durch Bipolartransistoren T3, T4 ersetzt. Liegt an den Eingangsklemmen E1, E2 eine geringere Spannung als an den Ausgangsklemmen A1, A2, schaltet der Transistor T3 durch, und das Cate-Potential des Transistors T2 sinkt auf Null ab. Der Transistor T2 sperrt. Für den Fall, daß ein zu hoher Strom in Richtung der Ausgangsklemme A1 fließt, schaltet der Transistor T4 durch, und das Gate-Potential des Transistors T1 sinkt auf Null ab. Dies bewirkt, daß der Transistor T1 sperrt.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung, der an Eingangsklemmen (E1, E2) eine Versorgungsspannung zuführbar ist, die über Schalt­ mittel an Ausgangsklemmen (A1, A2) schaltbar ist, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Schaltmittel einen ersten und einen zweiten mit einer Steuerspannung beaufschlagten steuerbaren Schalter (T1, T2) aufweisen,
• - daß Ansteuermittel (R4, R5, K2; R5, R9, K1) vorgesehen sind, die die Polarität des Spannungsabfalls an dem ersten Schalter (T1) erfassen und in Abhängigkeit der Polarität auf die Steuerspannung derart einwirken, daß der zweite Schalter (T2) geöffnet oder geschlossen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Ansteuermittel (R4, R5, K2; R5, R9, K1) den Spannungsabfall über dem zweiten Schalter (T2) erfassen und in Abhängigkeit des Spannungsabfalls auf die Steuer­ spannung derart einwirken, daß der erste Schalter (T1) geöffnet oder geschlossen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Schalter Feldeffekttransistoren sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Schalter als Temperature Protected-Feldeffekt­ transistoren ausgebildet sind, die derart hinter­ einandergeschaltet sind, daß die Drain-Elektroden oder Source-Elektroden einen gemeinsamen Verbindungspunkt aufweisen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Ansteuermittel einen ersten und zweiten Kompa­ rator (K1, K2) aufweisen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Ansteuermittel einen ersten und zweiten Transi­ stor aufweisen.

7. Redundantes System mit mindestens einem ersten und zweiten Teilsystem, die jeweils eine Stromversorgung auf­ weisen und eine Versorgungsspannung über eine Schaltungs­ anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 einem Subsystem zuführen.