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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Leistungssteuerung und betrifft insbesondere
das Verwalten des Anlegens von Leistung an elektronische Schaltungen.
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Hintergrund
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US-A-3
205 168 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern des Einschaltens
und Ausschaltens mehrerer Lasten. Das Einschalten jeder Last wird
in einer sequentiellen Weise so durchgeführt, dass ein gleichzeitiges
Einschalten von Lasten vermieden wird. Mehrere Schaltungselemente,
zu denen eine Relaiswicklung gehört,
verursachen eine Zeitverzögerung
zwischen den aufeinandertolgenden Einschaltvorgängen der Lasten.
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US-A-5
563 455 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sequenzierung
und Steuerung der Leistungsverteilung. Eine AC-Leistungssequenzierungs/steuerungseinrichtung
erfasst den Strom in einem ersten Ausgang, der mit einer ersten
Last verbunden ist, und wenn der erfasste Strom eine erste Schwellwertspannung übersteigt,
wodurch angezeigt wird, dass die erste Last eingeschaltet ist, liefert
die AC-Leistungssequenzier/-steuerungsrichtung
Leistung zu einem zweiten Ausgang, der mit einer zweiten Last verbunden
ist, um die zweite Last einzuschalten.
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Elektronische
Systeme sind häufig
aus mehreren Modulen aufgebaut, wobei jedes Wechselspannungsleistung
aus einer gemeinsamen Quelle bezieht. Ferner benötigen Leistungsversorgungen,
die in elektronischen Geräten
eingesetzt sind, typischerweise einen hohen Einschaltstrom. Daher
kann das gleichzeitige Einschalten aller Module zu einem beträchtlichen
Gesamteinschaltstrom führen. Übermäßige Anlaufströme, die
mit einem gleichzeitigem Anlaufen verknüpft sind, können starke magnetische Felder
oder Spannungsspitzen erzeugen, die elektronische Geräte überlasten
können
und damit einen Ausfall hervorrufen können.
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Der
hohe Gesamtanlaufstrom, der durch das gleichzeitige Aktivieren mehrerer
Einrichtungen hervorgerufen wird, ist häufig ein Problem in elektronischen Testsystemen,
die in einem Baugruppenträger montiert
sind. Derartige Systeme bestehen typischerweise aus diversen elektronischen
Testanlageninstrumenten, die zusammen in einem Baugruppenträger montiert
sind und mit der gleichen AC-Leistungsquelle
verbunden sind. Der Baugruppenträger
besitzt im Allgemeinen einen einzelnen Hauptleistungsschalter; wenn
der Schalter geschlossen wird, werden alle Geräte in dem Baugruppenträger gleichzeitig
aktiviert (zu beachten ist, dass die wiederkehrende Leistung nach
einem Netzausfall ebenso den gleichen Anlaufstrom erzeugen kann,
wie das Einschalten des Leistungsschalters.) Da die Einschaltströme, die
auch als Anlaufströme
bekannt sind, sich aufsummieren, kann der gemeinsame Anlaufstrom
hoch genug sein, um Schäden
hervorzurufen.
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Ein
weiteres Beispiel dieses Problems kann die verteilte Leistungszufuhr
innerhalb eines Personalcomputers sein. Der zentrale Prozessor in
modernen Personalcomputern ist im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit
und die Verarbeitungsleistung wesentlich leistungsfähiger geworden.
Jedoch gehen eine erhöhte
Komplexität
und ein höherer
Stromverbrauch mit den Verbesserungen des Leistungsverhaltens einher.
Die CPU, die in dem ursprünglichen IBM-Personalcomputer
eingesetzt war, enthielt lediglich 29 000 Transistoren, die bei
einer Taktfrequenz von lediglich 5 Megahertz betrieben wurden, und
benötigte
lediglich 0,05 Ampere Betriebsstrom. Eine aktuelle CPU, etwa der
AMD-Athlon-Prozessor,
kann 23 Millionen Transistoren aufweisen, die bei einer Taktfrequenz
von mehr als einem GHz betrieben werden und kann über 35 Ampere
Strom erfordern. Die Computerversorgung muss nicht nur die CPU versorgen,
sondern auch Laufwerke, periphere Schaltungskarten, periphere Module,
etc.. Wenn der Computer zunächst
eingeschaltet wird, belastet die gleichzeitige Aktivierung dieser
diversen Lasten die Leistungsversorgung in der Weise, dass diese
sehr große
Anlaufströme
bereitstellt, die große
magnetische Felder und hohe Spannungsspitzen hervorrufen. Die mit den
großen
Anlaufströmen
verknüpften
elektromagnetischen Felder können
auch die Initialisierung des Systems stören.
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Es
ist üblich,
Schutzeinrichtungen, Schutzableiter und Sanft-Anlaufschaltungen
in elektronischen Leistungsversorgungen vorzusehen. Derartige Einrichtungen
besitzen nur eine begrenzte Wirkung zur Bekämpfung der Effekte von Spannungsspitzen auf
der Leitung und beim Reduzieren der Größe der Anlaufströme. Trotz
dieser Maßnahmen
ist die Anlaufstromspitze häufig
höher als
der Nennstrom der Leistungsversorgung. Wie zuvor erläutert ist,
können die
aufaddierten Anlaufströme
mehrerer Leistungsversorgungen hoch genug sein, um elektromagnetische
Effekte hervorzurufen; derartige Phänomene können die Leistungsversorgung
oder versorgte Schaltungen stören
und sind nicht sensitiv für Schutzableiter
und dergleichen. Ferner können
diese gemeinsamen Anlaufströme
ernsthaft die Netzversorgung und damit verknüpfte Schaltkomponenten überlasten.
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Mit
den Zuverlässigkeitsproblemen,
wie sie etwa oben erläutert
sind, gehen auch Kostenprobleme einher Leistungskomponenten, die
gleichzeitig auftretenden Anlaufströmen unterworfen werden müssen, müssen überdimensioniert
werden. Das herkömmliche
Kriterium des „schlimmsten
Falles" des Entwicklungsingenieurs
erzwingt, dass die Gerätetoleranzen
ausreichend sind, um einen Ausfall bei Anlaufströmen zu vermeiden, die sehr
deutlich über den
nominellen Betriebsbedingungen liegen. Unvorteilhafterweise sind
größere Transformatoren,
kräftigere
Schaltkontakte, etc. typischerweise teuerer. Hohe Kosten sind im
Allgemeinen verknüpft
mit Schaltungen, die große
Anlaufströme
bereitstellen müssen,
und mit Ausgangsmodulen, die Spannungsspitzen und Magnetfeldspitzen
aushalten müssen. Somit
führt die
Notwendigkeit, gleichzeitige Anlaufströme zu bewältigen, zu einem Kostenanstieg
der Leistungsverteilungskomponenten.
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Angesichts
der zuvor erwähnten
Probleme ist es vorteilhaft, ein automatisches System zum Zuführen von
Leistung zu mehreren Lasten bereit zu stellen, das gleichzeitige
Anlaufströme
vermeidet. Das System sollte in der Lage sein, einen geordneten Neustart
im Falle eines Stromausfalles mit anschließender Wiederherstellung der
Stromzufuhr auszuführen.
Es wäre
vorteilhaft, wenn das System in der Lage wäre, mit einer Leistungsquelle
auf der Basis von Wechselspannung oder Gleichspannung zu arbeiten.
Ferner sollte das System kostengünstig
und leicht anpassbar sein, um ein sequenzielles Bereitstellen von
Leistung in vielen unterschiedlichen Anwendungen, beispielsweise
Computerperiphergeräten,
Baugruppenträger
für Testinstrumente,
automatische Produktionslinien, zu ermöglichen.
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Überblick über die
Erfindung
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Die
zuvor dargelegten Probleme werden zu einem großen Teil durch ein System und
ein Verfahren für
die sequenzielle Leistungsbereitstellung gelöst. Das hierin beschriebene
System verbindet sequenziell mehrere Lasten mit einer Hauptleistungsquelle,
wodurch der Anlaufstrom zeitlich verteilt und die Wahrscheinlichkeit
einer Komponentenbelastung und einer Störung, die mit Spitzenströmen verknüpft sind,
minimiert wird. Es arbeitet beim Einschalten der Leistung oder bei
der Wiederherstellung der Leistungszufuhr, die auf einen Stromausfall
folgt. Das System ist einfach und kostengünstig und eignet sich zum Einbau
in diverse Produkte. Des Weiteren kann es einfach in eine integrierte
Schaltung eingebaut oder auf dem Substrat eines bestehenden ICs
als eine chipinterne periphere Einrichtung angeordnet werden.
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Es
wird eine Leistungssequenziereinrichtung bereitgestellt mit einem
Satz an steuerbaren Leistungsschaltelementen und zugeordneter Schaltung für die Zeitsteuerung,
die Signalverteilung und die Steuerung. Die Leistungsschaltelemente
empfangen über
die Verteilungsschaltung progressiv verzögerte Versionen einer Flanke
eines logischen Signals. Die Schaltelemente werden somit durch die
Schaltung in einer zeitlich aufeinanderfolgenden Weise aktiviert und
verbinden nacheinander mehrere Lasten mit einer Leistungsquelle.
Da die Lasten in Schritten anstatt gleichzeitig angeschlossen werden,
wird der massive Strom, der mit einem gemeinsamen Anlaufen verknüpft ist,
vermieden. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Ausgestaltung liegt
in der Fähigkeit, mehrere
Leistungssequenziereinrichtungen in Reihe zu schalten, so dass jede
Sequenziereinrichtung in der Reihe erst dann freigegeben wird, nachdem
die aktuell freigeschaltete Einrichtung ihre Sequenz beendet hat.
Es sei beispielsweise angenommen, dass Sequenziereinrichtungen A
und B jeweils acht Lasten treiben und dass B durch A freigegeben
wird. Wenn Leistung zunächst
zugeführt
wird, verbindet die Sequenziereinrichtung A nacheinander ihr acht
Lasten mit der Leistungsquelle in regelmäßigen Zeitabständen. Bis
die achte Last der Sequenziereinrichtung A angeschlossen ist, bleibt
die Sequenziereinrichtung B inaktiv und deren Lasten bleiben von
der Leistungsquelle abgetrennt. Wenn die achte Last angeschlossen
ist, aktiviert die Sequenziereinrichtung A die Sequenziereinrichtung
B, so dass diese mit dem sequenziellen Anschließen ihrer acht Lasten beginnen
kann. In der Tat verhalten sich die beiden in Reihe geschalteten
Sequenziereinrichtungen wie eine einzelne Sequenziereinrichtung
mit einer Kapazität von
16 Lasten. Es können
beliebig viele Sequenziereinrichtungen auf diese Weise verbunden
werden, wobei jede Sequenziereinrichtung die nächste aktiviert und selbst
von der vorhergehenden Sequenziereinrichtung aktiviert wird.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
umfasst die Leistungssequenziereinrichtung einen logikgesteuerten
Zeitgeber und Schieberegister, die einen Satz an Relais einschalten,
die Leistung zu mehreren Lasten verteilen. Die Relais werden der
Reihe nach mit festgelegten Intervallen aktiviert; somit wird die Leistung
den Lasten schrittweise anstatt auf einmal zugeführt. Dies führt zu einem wesentlich geringerem Anlaufspitzenstrom,
im Vergleich zu dem Fall, wenn die Lasten gleichzeitig eingeschaltet
würden.
Beispielsweise verringert in einem Testbaugruppenträger mit
16 identischen Lasten die Leistungssequenziereinrichtung den Anlaufstrom
auf 1/16 dessen, wenn alle Lasten gleichzeitig eingeschaltet würden. Die
Logikschaltung, die die Anlaufsequenz steuert, kann so konfiguriert
sein, dass sie in einem übergeordneten
bzw. Mastermodus oder einem untergeordnetem bzw. Slave-Modus arbeitet.
In dem Master-Modus beginnt die Anlaufsequenz, sobald das System
aktiviert wird. In dem Slave-Modus ist andererseits eine Freigabeeingangssignal
erforderlich, bevor das Sequenzverfahren beginnen kann. Dieses Merkmal
macht es möglich,
die mehreren Leistungssequenziereinrichtungen in einer „Prioritätsverkettung" und zur Verwendung
in Situationen anzuordnen, in der eine große Anzahl an Lasten beteiligt sind,
oder in denen die Lasten weit verteilt sind.
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Es
sollte betont werden, dass, obwohl ein System mit mehreren Lasten
in einigen Fällen
manuell eingeschaltet werden kann, so dass die Leistung sequenziell
an die Lasten angelegt wird, dies aber keine Sicherheit für das System
bei Stromausfall liefert. Stromspitzen finden häufig statt, wenn die Systemleistung
nach einem Stromausfall abrupt wiederhergestellt wird. Alle Geräte, die
während
des Auftretens des Stromausfalls aktiv waren, werden gleichzeitig
beim Wiedereinsetzen des Stromes gestartet, woraus häufig ein
sehr großer
addierter Anlaufstrom resultiert. Somit hilft eine bloße manuelle
sequenzielle Leistungszufuhr auf mehrere Lasten nicht gegen Stromspitzen.
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Das
hierin beschriebene System kann sowohl auf AC- als auch DC-Leistungsversorgungen angewendet
werden, und kann vorteilhafterweise in diversen Anwendungen eingesetzt
werde, um die Kosten für
die Leistungsversorgungen und die Eingangsschaltungen zu minimieren,
und um die EM-Emissionen zu reduzieren. Das System ist kostengünstig und
kann in der Größe angepasst
werden und kann leicht als eine kostengünstige integrierte Schaltung
hergestellt werden. Somit eignet es sich für die Integration als ein wertvolles
Zusatzmerkmal im Produkten, etwa Leistungsversorgungen.
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Zusätzlich zu
dem oben genannten System wird hierin ein Verfahren zum Implementieren
der sequenziellen Zuführung
von Leistung zu mehreren Lasten bereitgestellt. Das Verfahren kann
das Erzeugen einer Sequenz von Spannungsschritten umfassen, wobei
jeder Spannungsschritt in der Sequenz um ein vorgegebenes Intervall in
Bezug auf die vorhergehenden Schritte verzögert ist. Die progressiv verzögerte Reihe
von Spannungsschritten aktiviert Leistungsschaltkomponenten, die
wiederum Leistung an die einzelnen Lasten zuführen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten
Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen hervor,
in denen:
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1 eine Blockansicht einer
beispielhaften Ausführungsform
des hierin beschriebenen Leistungssequenziersystems ist;
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2 ein Zeitablaufdiagramm
für die
Leistungssequenziereinrichtung ist, wobei das relative Zeitverhalten
der Takt-Schieberegister und Leistungsschaltungskomponenten dargestellt
ist;
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3 eine Ausführungsform
des Leistungsschaltbereichs der Sequenziereinrichtung darstellt;
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4 die Frontplattengestaltung
einer Ausführungsform
der Leistungssequenziereinrichtung und die Verbindung mehrerer Sequenziereinrichtungen
in einer Kaskadenanordnung darstellt; und
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5 eine Ausführungsform
der Master/Slave-Schaltung ist, die verwendet wird, wenn mehrere Leistungssequenziereinrichtungen
miteinander verbunden werden.
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Obwohl
die Erfindung diverse Modifizierungen und alternative Formen aufweisen
kann, sind hierin spezielle Ausführungsformen
beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden hierin detailliert
beschrieben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass die Zeichnungen
und die detaillierte Beschreibung nicht beabsichtigen, die Erfindung
auf die spezielle offenbarte Ausführungsform einzuschränken, sondern
die Erfindung soll vielmehr alle Modifizierungen, Äquivalente
und Alternativen abdecken, die innerhalb des Schutzbereichs der
vorliegenden Erfindung liegen, wie sie durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Beste Art bzw. Arten zur
Ausführung
der Erfindung
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Die
folgende Erläuterung
betrifft eine Ausführungsform
der hierin beschriebenen Leistungssequenziereinrichtung zur Verwendung
in Testsystemen, die in einem Baugruppenträger montiert sind. Diese beispielhafte
Ausführungsform
wird benutzt, um die grundlegenden Prinzipien des Systems darzustellen,
sollte jedoch nicht so aufgefasst werden, dass die Anwendung des
vorliegenden Systems und Verfahren lediglich auf diese Ausführungsform
eingeschränkt
ist. Im Gegenteil, das System und die Verfahren werden als nützlich für einen
sehr weiten Bereich von Leistungsverteilungs und – Steuerungsanwendungen
betrachtet, wovon einige Beispiele im Weiteren aufgeführt werden.
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1 zeigt eine Blockansicht
einer Ausführungsform
der Leistungssequenzierienrichtung und in dieser Darstellung bezeichnen
eingekreiste Bezugszeichen Gruppen von Signalleitungen, das heißt von Bussen.
Eine einzelne Signalleitung innerhalb eines Busses ist durch das
Buskennzeichen gefolgt von einem Bindestrich und der Leitungsnummer
bezeichnet. Beispielsweise ist die Signalleitung, die den achten
Ausgang eines Schieberegisters 18 mit dem entsprechenden
Eingang eines MOSFET-Treibermoduls 26 verbindet, als 22-8 bezeichnet.
Bussignalnummern in 1 treten
neben dem Beginn der Signalleitung auf. Ferner werden in der nun
folgenden Erläuterung
Logiksignale als Signale mit zwei möglichen Zuständen betrachtet,
die als „hochpegelig" und „tiefpegelig" bezeichnet sind.
In der Ausführungsform aus 1 wird die gesamte Leistung
letztlich von der AC-Leitung 52 abgeleitet. Die AC-Leitung
ist mit einer AC-Leisstungsversorgung 10 verbunden, die
12 Volt für
die interne Schaltung der Leistungsequenziereinrichtung bereitstellt.
Die AC-Leitung ist ferner mit dem Relais-Modul 38 verbunden. In dieser
anschaulichen Ausführungsform
umfasst das Relais-Modul
acht Paare mit Relais, die selektiv Leistung zu acht Lastkanälen an den
Ausgangsbussen 40 und 42 der Sequenziereinrichtung
zuführen.
Abhängig
von der speziellen Anwendung können
die Relais entweder konventionell elektromechanische Einrichtungen
oder gewisse Arten von Halbleiterrelais sein. Die 12 Volt Ausgangsspannung
der AC-DC-Leistungsversorgung 10 wird auf 5 Volt mittels
einem Linerarregler oder einer DC-DC-Schaltleistungsversorgung 12 herabgesetzt
und an die Logik weitergegeben. In dieser Ausführungsform dient ein Taktgenerator 16 als
die Zeitgeberquelle für
die Sequenziereinrichtung und kann ein Kristalloszillator, ein Multivibrator
oder eine ähnliche
Einrichtung sein, die in der Lage ist, ein geeignetes Zeitgebersignal
bereitzustellen. Der Taktgenerator 16 liefert eine Pulssequenz
auf einer Signalleitung 17 zu den Schieberegistern 18 und 20,
die als Verteilungsnetzwerk in dieser Ausführungsform dienen. Ein Schieberegister
ist eine getaktete mehrstufige Einrichtung, die häufig in
digitalen Logikschaltungen eingesetzt wird. Ein logischer Pegel,
der an dem Eingang eines Schieberegisters anliegt, wird entsprechend
dem Taktsignal sukzessive durch seine Stufen in der Weise einer
Eimerkette geschoben. Im Falle der Schieberegister 18 und 20 ist
eine Ausgangsleitung für
jede Stufe vorgesehen; somit wird der Eingangszustand durch das
Schieberegister sowohl verzögert
als auch verteilt. Die Schieberegister 18 und 20 werden
in einem Rücksetzzustand
mittels einer Steuerlogik 14 gehalten. In dem Rücksetzzustand
ignorieren die Schieberegister die Pulse von dem Taktgenerator und
die Ausgangsleitungen 22 und 24 liegen alle auf
tiefem Pegel. Die Zeitdauer, während
der die Steuerlogik 14 den Rücksetzzustand aufrechterhält, hängt davon
ab, ob die Leistungssequenziereinrichtung als ein Master oder als ein
Slave arbeitet, was durch den Zustand der Master/Slave-Modussignalleitung 44 festgelegt
wird. Wenn die Sequenzierienrichtung als ein Master arbeitet, wird
der Rücksetzzustand
nach einer kurzen Initialisierungsphase verlassen, nachdem der Leisstungs-Ein/Aus-Schalter 46 eingeschaltet
wurde. Wenn die Sequenziereinrichtung als ein Slave arbeitet, wird
jedoch der Rücksetzzustand
beibehalten, bis der Master ein Freigabeausgangssignal über eine Slave-Freigabesendeleitung 48 und
eine Slave-Freigaberückleitung 50 liefert.
Dieser Betriebsmodus ermöglicht
eine Verbindung mehrerer Leistungssequenziereinrichtungen in einer
Kaskadenanordnung, wodurch es möglich
ist, nacheinander eine große
Anzahl von Lasten zu aktivieren, oder Lasten zu aktivieren, die
weit entfernt angeordnet sind. Da das Freigabesignal von dem Master
zu dem Slave gleichspannungsmäßig isoliert
ist, gibt es keine Einschränkung hinsichtlich
der Anzahl der Slave-Einrichtungen, die von einem einzelnen Master
angesteuert werden können.
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Die
Schieberegister 18 und 20 enthalten in dieser
beispielhaften Ausführungsform 8 Stufen
und führen
die Logikpegel, die an ihren Eingängen anliegen, durch die aufeinanderfolgenden
Stufen bei jedem Übergang
des Taktsignals. Der Logikpegel in jeder Stufe ist an einem entsprechenden
Stift abgreifbar, das heißt,
den Bussen 22 und 24. In diesem Falle ist der
serielle Eingang zu dem ersten Schieberegister 18 mit einem
logischen Hochpegel verdrahtet und der Eingang zu dem zweiten Schieberegister 20 ist
mit der letzten Stufe des vorhergehenden Schieberegisters 18 verbunden.
Wenn daher die Rücksitzbedingung
wegfällt,
reagieren die Schieberegister 18 und 20 auf den
Taktsignalgenerator, indem ein logisch hochpegeliges Signal der
Reihe nach durch jede Stufe des ersten Schieberegisters 18 und
dann in der gleichen Weise durch das gleiche Schieberegister 20 geschoben
wird. Die Ausgänge
der Schieberegister 18 und 20, die von den MOSFET-Modulen 26 und 28 gepuffert
sind, aktivieren die Relais in dem Relais-Modul 38. Diese Ereignissequenz
ist in dem Zeitablaufdiagramm der 2 dargestellt.
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Der
logische Zustand mehrerer der in der Ausführungsform aus 1 dargestellten Signals ist als eine
Funktion der Zeit in 2 gezeigt.
Zu beachten ist, dass das Bezugszeichen jeder der Signalverläufe durch
das Hinzufügen
von 100 zu den Bezugszeichen des entsprechenden Signals gewonnen
werden kann. Beispielsweise ist der Verlauf, der die Übergänge des
Signals 22-3 (dritter Ausgang des Schieberegisters 18)
mit 122-3 bezeichnet. Jede Zeitangabe ist relativ zu dem
Taktsignal 117 und von den Übergängen wird (willkürlich) angenommen, dass
diese bei der ansteigenden Flanke des Taktsignals stattfinden; die
gepunkteten vertikalen Linien bezeichnen eine zeitliche Übereinstimmung.
In dieser anschaulichen Ausführungsform
beträgt
die Taktsignalsperiode ungefähr
0,5 Sekunden. Somit sind beispielsweise die ansteigenden Flanken
der Signalsverläufe 140-2 und 140-4 um
1,0 Sekunden zueinander verschoben. Jedoch kann die Taktsignalsperiode abhängig von
der Anwendung von 0,1 Sekunde bis zu Stunden betragen.
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Die
Signalverläufe 122-1 bis 122-8 in 2 zeigen, wie ein logisch
hochpegeliges Signal durch die Stufen des Schieberegisters (18)
entsprechend den Zyklen des Taktsignals 117 verschoben
wird. Dies gilt auch für
das Schieberegister 20, wie aus den Signalverläufen 124-1 bis 124-8 deutlich
wird. Zu beachten ist, dass die erste Zustandsänderung in dem Schieberegister 20 nicht
auftritt, bevor nicht die letzte (achte) Stufe des Schieberegisters 18 den
Zustand geändert
hat; dies spiegelt sich in der Tatsache wider, dass die Schieberegister
in Reihe verbunden sind. Wie später
detaillierter beschrieben ist, weist jeder der Hauptausgangskanäle der Sequenziereinrichtung
eine Doppelpolverbindung auf, das heißt, es sind zwei Schaltelemente
für jede
Last vorgesehen und es ist das Schließen beider Schaltelemente erforderlich,
um die Last mit der Leistungsquelle zu verbinden. Beispielsweise
umfasst der Ausgangskanal 3 in 1, die Signalleitungen 40-5 und 40-6; die Leitung 40-5 verbindet
die Last mit der hochpegeligen Seite der Spannungsquelle und die
Leitung 40-6 verbindet die Last mit der tiefpegeligen Seite.
Somit wird der Stromkreis durch das zweite Relais abgeschlossen.
Dies wird aus der Abhängigkeit
zwischen dem Taktsignalverlauf 117 und den Signalverläufen 140-4 und 142-8 aus 2 deutlich. Beispielsweise
wird der erste Ausgang des Schieberegisters 18 (Signalleitung 22-1)
mittels eines MOSFET (Signalleitung 32-1) gepuffert und
somit wird eines der beiden Relais, die an dem Ausgangskanal 1 Signalleitung 40-1 vorgesehen
sind, aktiviert. In gleicher Weise wird der zweite Ausgang des Schieberegisters 18 (Signalleitung 22-2)
von einem MOSFET (Signalleitung 32-2) gepuffert, das andere
Relais (Signalleitung 40-2) aktiviert und somit die Verbindung
des Ausgangskanals 1 komplettiert. Dies wird in 2 durch die gepunktete Linie
ausgedrückt,
die die ansteigende Flanke von 140-2 mit jener von 122-2 verbindet.
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Die
MOSFET-Treibermodule 26 und 28 in 1 enthalten jeweils acht MOSFET-Transistoren. Diese
MOSFETs können
diskrete Bauelemente sein, oder können in einer integrierten
Schaltung kombiniert sein. In alternativen Ausführungsformen können andere
Arten von stromverstärkenden
Einrichtungen verwendet werden, die in der Lage sind, eine Relaisspule
anzusteuern, etwa bipolare Transistoren. Jeder Schieberegisterausgang
ist mit dem Gate eines MOSFETs über
die Busse 22 und 24 verbunden. Wenn eine Schieberegisterstufe
hochpegelig wird, steuert die entsprechende Ausgangsleistung das Gate
des entsprechenden MOSFETs auf einen hohen Pegel, wodurch dieser
eingeschaltet wird. Das Drain jedes der MOSFETs ist mit der Spule
eines Relaismoduls 38 verbunden, und es gibt 2 MOSFETs und
zwei Relais für
jede Last. Ferner sind mit den MOSFET-Treibern LED-Module 34 und 36 verbunden,
so dass eine LED für
jeden der Lastkanäle
vorgesehen ist, und jede LED leuchtet, wenn der Kanal eingeschaltet
wird (das heißt
wenn beide zugeordnete MOSFETs eingeschaltet sind). So kann beispielsweise
die LED 3 in Modul 34 von einem Nicht-Oder-Gatter
mit Eingängen,
die mit den Leitungen 32-5 und 32-6 verbunden
sind, so angesteuert werden, dass diese brennt, wenn diese beiden
Leitungen tiefpegelig werden. Dies dient zur Anzeige, dass beide
Relais, die mit dem Ausgangskanal 3 verknüpft sind,
geschlossen sind.
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Als
ein Beispiel ist eine Schaltung in 3 dargestellt,
die mit dem achten Ausgangskanal des Relaismoduls 38 und
dem MOSFET-Treibermodul 28 verknüpft ist. Zu beachten ist, dass
jede der beiden Phasen der 220VAC-Leitung 52 mit einem
Relais vebunden ist; Phase 1 auf Leitung 52-1 ist
mit dem oberen Relais 58 und Phase 2 der Leitung 52-2 ist
mit dem unteren Relais 60 verbunden. Wenn ein Relais geschlossen
wird, verbindet es die entsprechende Phase mit der Ausgangssteckdose 62 über die
Ausgangsleitung 42-7 oder 42-8. Wie zuvor dargestellt ist,
enthalten die MOSFET-Treibermodule
jeweils einen MOSFET für
jedes der Relais in dem Relaismodul 38. Die beiden MOSFETs 54 und 56,
die in 3 gezeigt sind,
werden von dem achten Paar der Schieberegisterausgänge 24-7 und 24-8 angesteuert.
Das obere Relais 58 ist über eine Busleitung 30-7 mit
dem MOSFET verbunden, und das untere Relais 60 ist über eine
Busleitung 30-8 mit dem MOSFET 56 verbunden. Wenn
einer der MOSFETs durchschaltet, wird ein Strom durch die entsprechende
Relaisspule hervorgerufen. Dies bewirkt ein Schließen der
Kontakte, die stromlos offen sind, wodurch eine der Phasen der 220VAC-Leitung
mit einer Last verbunden wird. In der vorliegenden Ausführungsform
beträgt der
zeitliche Abstand zwischen der Aktivierung einer Last und der nächsten 1,0
Sekunden, da beide Relais geschlossen sein müssen, um die Last anzuschließen. Es
sollte offensichtlich sein, dass in alternativen Ausführungsformen
die Leitungsspannung 110 VAC oder ein DC-Wert sein kann,
oder dass das Intervall größer oder
kleiner gewählt
werden kann.
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In 4a ist die Frontplatte für eine anschauliche
Ausführungsform
der Leistungssequenziereinrichtung gezeigt. Leistungsschalter 64 und 66 sind
vorgesehen, um das Gerät
ein- oder auszuschalten und Modusschalter 68 und 70 sind
vorgesehen, um die Einheit entweder als Master oder als Slave (wie
dies nachfolgend weiter erläutert
wird) zu konfigurieren. Eine Reihe aus LEDs 72 zeigt an,
welche Ausgänge
aktiv sind. Ferner sind zwei modulare RJ-11-Stecker (die gleiche
Art, wie sie in einem Telephonwandstecker vorgesehen sind), wovon
einer, 74, ein Eingang und der andere, 76, ein
Ausgang ist. Für
jeden dieser Stecker ist eine LED 78 bzw. 80 vorgesehen,
um anzuzeigen, wenn der entsprechende Eingang oder Ausgang aktiv
ist.
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Die
Leistungssequenziereinrichtungen können in einfacher Weise kombiniert
werden, um die Ausgangskapazität
zu ändern.
Zwei oder mehr Leistungssequenziereinrichtungen können unter
Verwendung von RJ/11 oder anderen Verbindern miteinander verbunden
werden. (RJ/11-Stecker werden als besonders kostengünstig und
leicht verfügbar
erachtet.) Die Leistungssequenziereinrichtungen können als
Master und Slave durch Verbinden des vorgesehenen Masters mit dem
Eingang des vorgesehenen Slaves verbunden werden, wie in 4b gezeigt ist. Im aktivierten
Zustand liefert der Master sequenziell Leistung zu seinen Ausgängen, wie
dies zuvor beschrieben ist. Jedoch wird die Slave-Einrichtung deaktiviert
gelassen, bis die Master-Einrichtung ihre Sequenz abgeschlossen
hat; erst dann beginnt die Slave-Einrichtung damit, die Ausgänge sequenziell einzuschalten.
Somit ist der Betrieb der Maste/Slave-Kombination äquivalent
zu dem Betrieb einer einzelnen Sequenziereinrichtung mit doppelt
so vielen Kanälen.
Ferner können
mehrere Leistungssequenziereinrichtungen auf diese Weise in Reihe
geschaltet werden, wobei jede Sequenziereinrichtung dazu dient,
die nächstfolgende
zu aktivieren. Dies erweitert die Kapazität einer einzelnen Leistungssequenziereinrichtung
auf beliebig viele Lasten. Zusätzlich zu
dem in 4b gezeigten
Verbindungsschema erfordert der gemeinsame Betrieb mehrerer Sequenziereinrichtungen,
dass jede Sequenziereinrichtung in geeigneter Weise als Master oder
Slave konfiguriert ist. Wie zuvor dargestellt ist, wird dies in
der Ausführungsform
aus 4b durch Verwenden
der Modus-Schalter auf der Frontplatte erreicht. Zu beachten ist,
dass, obwohl eine beliebige Anzahl von Leistungssequenziereinrichtungen
in Reihe angeordnet werden kann, lediglich die erste in der Reihe
als die Master-Einrichtung konfiguriert sein kann; die verbleibenden
Sequenziereinrichtungen müssen
alle als Slave-Einrichtungen konfiguriert sein. Dies ermöglicht,
dass ein Freigabeausgangssignal von der Master-Einrichtung ausgesandt und dann von
einer Slave-Einrichtung zur anderen weiter gegeben wird. Die Möglichkeit,
durch die der Modusschalter eine Leistungssequenziereinrichtung
als Master bzw. Slave umzukonfigurieren, kann äußerst vorteilhaft sein. Beispielsweise
kann ein komplexes System aus hundert in Reihe verbundener Leistungssequenziereinrichtungen
aufgebaut sein, wobei eine Master-Einrichtung und 99 Slave-Einrichtungen
vorhanden sind. Unter Anwendung der Modusschalter kann dieses System
in einfacher Weise als eines mit 50 Master-Einrichtungen und 50 Slave-Einrichtungen
rekonfiguriert werden, ohne dass eine Änderung in der Verdrahtung
erforderlich ist.
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Ein
wichtiges systemimmanentes Merkmal der Master/Slave-Verbindung ist
die sehr hohe Immunität
gegen Rauschen. Der Slave-Eingang der Leistungssequenziereinrichtung
wird von dem Rest der Schaltung der Sequenziereinrichtung isoliert
gehalten; daher ist jede Sequenziereinrichtung in einer Reihenschaltung
aus Sequenziereinrichtungen von allen anderen isoliert. Ferner ist
ein relativ hoher Signalpegel erforderlich, um die Slave-Einrichtung
zu aktivieren. Das heißt,
die Anzahl von Leistungssequenziereinrichtungen, die kaskadiert
werden können,
ist nicht durch kumulatives Rauschen eingeschränkt und die Möglichkeit
einer falschen Aktivierung einer Slave-Einrichtung durch Umgebungsrauschen
ist gering. In 5 ist
eine Ausführungsform der
Schaltung gezeigt, mit der dies erreicht wird.
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5 zeigt einen Teil der Master-Einrichtung 82,
die einen MOSFET 86 aus dem MOSFET-Modul 38, das
in 1 gezeigt ist, aufweist.
Die Last für
diesen MOSFET 88 ist der Einfachheit halber als ein Widerstand
gezeigt, kann aber tatsächlich
eine Realaiswicklung (wie in 3 gezeigt)
und andere Komponenten aufweisen. Ferner treibt der MOSFET 86 ein Freigaberelais 90 in
der Slave-Einrichtung 84. Die Verbindung zwischen der Master-Einrichtung 82 und der
Slave-Einrichtung 84 ist ein Zweileiterkabel, wovon ein
Leiter 92 12 Volt zu dem Freigaberelais 90 liefert
und wobei die Rückleitung 94 den
Relaisstrom durch den MOSFET 86 ableitet. Auf Grund der
inhärent
hohen Immunität
gegen Rauschen der Master/Slave-Schnittstelle kann dieses Kabel
typischerweise in der Größenordnung
bis zu hundert Fuß lang sein.
Parallel zu seiner nominellen Last 88 und dem Freigaberelais 90 in
der Slave-Einrichtung treibt der MOSFET 86 ferner die LED 80,
die der Masterausgangsbuchse 76 zugeordnet ist. Diese LED
zeigt an, dass die Slavefreigabeausgangsleitung aktiv ist. Ferner
ist die LED 78, die mit der Slaveeingangsbuchse 74 verknüpft ist,
parallel mit dem Freigaberelais 90 verbunden, und wird
verwendet, um anzuzeigen, dass die Slave-Einrichtung das Freigabeeingangssignal
von der Master-Einrichtung empfängt.
Zu beachten ist, dass in 5 das
Relais 90 die Master-Einrichtung 82 von der Slaveeinrichtung 84 isoliert;
folglich ist eine elektrisch Störung
zwischen diesen beiden Einrichtungen vernachlässigbar. Ferner wird der Einfluss
des Rauschens bei der Hinzugabe weiterer Slave-Einrichtungen nicht
größer.
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Die
Anwendbarkeit des vorliegenden Systems und Verfahrens ist nicht
auf die hierin beschriebene beispielhafte Ausführungsform eingeschränkt. Es
sollte deutlich werden, dass die Leistungssequenziereinrichtung
auf diverse Leistungsverteilungsanwendungen anpassbar ist. Beispielsweise
kann diese Technologie vorteilhaft sein in großen elektrischen Schildern
mit vielen Elementen, wodurch der beträchtliche Anlaufstrom zeitlich
verteilt werden kann, so dass die Belastung für Schalter und Verdrahtungen
geringer ist. Ferner kann eine Kostenersparnis in den Leistungsversorgungen
für Computer
und andere elektronische Anlagen erreicht werden; durch Vermeiden
der Notwendigkeit, mehrere Lasten gleichzeitig anlaufen zu lassen,
kann es möglich
sein, die Anwendung robuster aber teurer Komponenten zu vermeiden.
Auf Grund seiner Einfachheit und des kostengünstigen Aufbaus eignet sich
die vorliegende Gestaltung für
die Massenherstellung.
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Die
beispielhafte Ausführungsform
der Leistungssequenziereinrichtung die hierin beschrieben ist, ist
aus diskreten Komponenten oder Modulen aufgebaut. Jedoch ist das
vorliegende System und das Verfahren nicht auf diese Verwirklichung
eingeschränkt
und ist für
eine Implementierung in eine Vielzahl von Geräten geeignet. Beispielsweise
können
die logischen Funktionen und Steuerungsfunktionen ebenso in eine
programmierbare Logikschaltung implementiert werden, oder es kann
eine preisgünstige
Mikrosteuerung für
allgemeine Zwecke eingesetzt werden. Dies kann zu einer Reduzierung
der Kosten, einer Verringerung des Volumens und einer verbesserten
Herstellbarkeit führen.
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Es
wird angenommen, dass ein Großteil
der Schaltung der Leistungssequenziereinrichtung in eine integrierte
Schaltung integriert werden kann. Eine Ausnahme dabei wären bei
Hochleistungsanwendungen die eigentlichen Leistungsschaltkomponenten.
Jedoch können
in diesen Situationen, in denen moderate Leistungspegel zu verarbeiten
sind, Halbleiterschalter anstelle der elektromechanischen Relais
verwendet werden; es ist dann möglich,
die gesamte Sequenziereinrichtung als ein einzelnes IC- oder als
einen Hybrid-Baustein bereitzustellen. Ein Leistungs-Sequenzier-IC könnte daher
eine kostengünstige
Erweiterung für
viele bestehende Produkte sein, etwa Leistungsversorgungen oder
tragbare Computer.
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Der
Fachmann erkennt unter Ausnutzung der Offenbarung hierin, dass diese
Erfindung ein System und ein Verfahren zum sequenziellen Zuführen von
Leistung zu mehreren elektrischen Lasten bereitstellt. Diverse Modifizierungen
und alternative Ausführungsformen
der diversen Aspekte dieser Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibungen
offenkundig. Details, etwa die Anzahl und die Reihenfolge der Leistungsausgangskanäle und die
Intervalle für
die Lastenaktivierung, die hierin beschrieben sind, sind lediglich
beispielhaft für eine
spezielle Ausführungsform.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Diese
Erfindung ist für
eine Reihe industrieller Anwendungen geeignet, zu denen der Bereich des
Zuführens
von Leistungen zu elektronischen Schaltungen gehört. Der Fachmann, der im Besitz der
vorliegenden Offenbarungen ist, erkennt, dass diese Erfindung ein
System und ein Verfahren zum sequentiellen Zuführen von Leistung zu mehreren Lasten
bereitstellt. Das System kann als eine Slave-Einrichtung arbeiten,
um ein Freigabesignal zu empfangen, oder kann als eine Master-Einrichtung arbeiten,
um ein Freigabesignal zu erzeugen, wobei in jedem Falle dazu beigetragen
wird, große
Anlaufstromspitzen, die sich aus dem gleichzeitigen Einschalten
mehrerer Lasten ergeben, zu vermeiden. Es ist beabsichtigt, dass
die folgenden Patentansprüche so
interpretiert werden sollen, um derartige Modifizierungen und Änderungen
zu umfassen und daher sind die Beschreibung und die Zeichnungen
als lediglich anschaulich und nicht als einschränkend zu betrachten.