SE464270B - Vid fel saeker saekerhetsanordning - Google Patents

Description

464 270 å 8107568-1. I den beskrivna nödstoppsanordningen tänds tran- sistorer omväxlande av i motfas alstrade fyrkantssignaler. I den enklaste utföringsformen med tvà transistorer ansluts en första transistors emitter till en andra transistors kollek- tor, samt till den elektriska minusledningen via primärlind- ningen hos en transformator och en kondensator. En last är ansluten 'till transformatorns sekundärlindning. Nackdelen med denna anordning är att lasten får ström och drivs även om kondensatorn skulle bli kortsluten. Andra beskrivna utför- ingsformer utelämnar kondensatorn och använder i stället ytterligare ett eller två par transistorer, eller mittuttaget hos transformatorns primärlindning. Även i dessa alternativa utföringsformer kan dock lasten drivas om enstaka komponenter blir kortslutna eller avbrutna.

Både JP 60-229102 och JP 60-229103 beskriver andra laststyrningskretsar, vilka avbryter drivning av en last när fel uppstår i en överordnad mikroprocessor. För det första är dessa lösningar onödigt komplicerade, med ett flertal aktiva komponenter, inkl. två NAND-grindar och, i ena fallet, en operationsförstärkare, mellan mikroprocessorn och lasten.

För det andra tar de ingen hänsyn till eventuella fel hos själva de mellanliggande komponenterna; om mikroprocessorn är hel och fungerande kan alltså lasten drivas även om andra komponenter har gått sönder.

Tekniska problemet: Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är därför att åstadkomma en säkerhetsanordning uppbyggd av ett fåtal komponenter, medelst vilken matningsspänning matas säkert fram. till en last under' aktiv kontroll av ett överordnat system, men som snabbt avbryter spänningsmatningen när någon ingående komponent går sönder, eller när korrekta styrsigna- ler inte föreligger. 464 270 lw Lösningen: Nämnda ändamål uppnås medelst en anordning enligt upp- finningen, vilken kännetecknas därav att: den första ingången är kopplad till en elektrisk spän- ningskälla med en matningsspänning; den första utgången är kopplad till den andra ingången; den andra utgången är kopplad till en elektrisk jord; den första utgången år kopplad till den elektriska jor- den över en första kondensator och en första diod; en första lastanslutningspunkt är ansluten till den elektriska jorden; en andra lastanslutningspunkt är ansluten till den elektriska jorden över en andra diod och den första dioden; den första dioden år seriekopplad med den andra dioden; den första styrsignalen och den andra styrsignalen är i motfas för att omväxlande försätta det första kopplingsele- mentet och det andra kopplingselementet i det ledande till- ståndet för omväxlande laddning via den första dioden av den första kondensatorn respektive urladdning via den andra dio- den av den första kondensatorn med alstring av en elektrisk potential över lasten; en säkring är ansluten mellan nämnda spänningskålla och nämnda första ingång varigenom energimatning till lasten medelst säkerhetsanordningen avbrytes om något eller några av följande tillstånd uppstår: a) frånvaro av någon eller båda av styrsignalerna; b) båda kopplingselement samtidigt intar det ledande tillståndet eller samtidigt intar det icke-ledande tillstån- det; c) kortslutning av det första kopplingselementet och/eller det andra kopplingselementet och/eller den första dioden och/eller den andra dioden och/eller den första kon- densatorn; d) avbrott i det första kopplingselementet och/eller den första dioden och/eller den andra dioden och/eller den första kondensatorn. 464 270 bh Figurbeskrivning: Fig. 1 är ett kretsschema av en fördelaktig utförings- form av uppfinningen; och Fig. 2 illustrerar representativa signaler, som uppstår vid valda punkter i laststyrkretsen enligt uppfinningen.

Beskrivning av föredragna utföringsformer: En utföringsform av säkerhetsanordningen enligt uppfin- ning skall nu beskrivas med hänvisning till figurerna. En icke visad spänningskälla matar kretsen med matningsspänning- en +Us volt. I strömbanan mellan spänningskällan och den elektriska jorden finns ett första och ett andra styrbart kopplingselement Q1 resp. Q2. Varje kopplingselement kan inta ett ledande tillstånd och ett icke ledande tillstànd.

En första styrsignal S1 är kopplad till en styringång hos det första kopplingselementet Ql, så att Q1 intar det ledande tillståndet när amplituden hos S1 överstiger ett tröskelvär- de, och det icke ledande tillståndet när amplituden hos S1 understiger tröskelvärdet. Pá analogt sätt bestämmer en andra styrsignal S2 tillståndet för det andra kopplingsele- mentet Q2. Högsta amplituden för styrsignalerna S1 och S2 väljs med hänsyn till kopplingselementens elektriska egenska- per och behöver naturligtvis inte vara lika med matningsspän- ningen +Us.

I den illustrerade utföringsformen består kopplingsele- menten Q1 och Q2 av MOS-FET transistorer. Detta val är för- delaktigt för att minimera spänningsfallet över varje ele- ment, men är inte nödvändigt. Vanliga PNP och NPN transis- torer, reläer, tyristorer, och andra styrbara kopplingsele- ment kan också användas. Endast i syfte att förenkla den fortsatta beskrivningen skall kopplingselementen nedan kallas "transístorerna" Ql resp. Q2, varvid varje transistors in- gång, utgång, och styringång skall kallas kollektor, emitter, respektive bas. Att en transistor intar det ledande till- ståndet innebär att den bottnar, och att den intar det icke ledande tillståndet innebär att den stryps. Dessa termer och begrepp är välkända inom digitaltekniken och beskrivs därför inte närmare. 464 270 ä Såsom illustreras i fig. 2 har varje styrsignal S1 och S2 ett logiskt högt värde och ett logiskt lågt värde, varvid det höga. värdet. motsvarar en signalamplitud över transis- torernas tröskelvärde och det låga värdet motsvarar en signa- lamplitud mindre än tröskelvârdet, företrädesvis vid eller nära jordpotentialen. Styrsignalerna S1 och S2 alstras på känt sätt såsom pulståg i motfas av en icke visad överordnad enhet. Under normala förhållanden alstras alltså den andra styrsignalen S2 enklast som den logiska inversen av den för- sta styrsignalen S1: detta är dock inte nödvändigt, och korta perioder, under vilka ingen styrsignal är "hög", får också förekomma, under förutsättningar som kommer att framgå av den fortsatta beskrivningen. Det är dessutom fördelaktigt men inte nödvändigt för styrsignalerna att ha en konstant frek- vens. I en praktisk tillämpning av uppfinningen alstrades båda styrsignaler exempelvis med en frekvens i storleksord- ningen 1 kHz.

Den överordnade enheten består företrädesvis av en mik- roprocessor för att uppnå högsta graden av anpassbarhet och övervakningsförmàga. Den kan dock också utgöras av exempel- vis bistabila vippor eller andra kända kretsar.

I ett grundutförande kopplas spänningskällan till den första transistorns Ql kollektor. Emittern hos Q1 kopplas till den andra transistorns Q2 kollektor (vid punkt C i fig. 1), och emittern hos Q2 kopplas till den elektriska jorden.

En första säkring Fl anordnas dock företrädesvis mellan spän- ningskällan och den första transistorn Q1. Om styrsignalerna S1 och S2 oavsiktligen skulle inta det logiskt höga värdet samtidigt, exempelvis på grund av samtidig kortslutning, så att båda transistorer bottnar, kommer säkringen Fl att bry- tas, varvid matningsspänningen till hela resten av kretsen snabbt uteblir.

En signalbana från den första transistorns Q1 emitter går också via en första kondensator C1 till en första diod Dl (vid punkt D) och över D1 till jord.

En last K har två anslutningspunkter Pl och P2. I den illustrerade utföringsformen är lasten K induktiv, närmare bestämt ett relä, men den kan också vara en icke induktiv 464 270 á last såsom en glödlampa, ett larmsystem, o s v. Lasten K kan också innefatta fler än en strömförbrukare, t ex tvä eller fler reläer, lampor, o s v. I det visade exemplet, i vilken lasten K utgörs av ett enda relä, styr lastreläet på sedvan- ligt sätt en brytkontakt, vilken förbinder en andra icke visad spänningskälla, med spänningen U1, med en anslutnings- punkt F. Lasten K är via sin andra anslutningspunkt P2 ansluten över en andra säkring F2 till en andra diod D2, och därifrån över den första dioden Dl till jord. Den andra säkringen F2 kan utelämnas, men inkluderas med fördel för att skydda lasten ytterligare mot eventuell felkopplíng.

I en praktisk tillämpning av uppfinningen arbetade den föreliggande säkerhetskretsen med matningsspänningen Us i intervallet 20 - 35 VDC. Uppfinningen är dock naturligtvis lika användbar även vid andra matningsspänningsnivàer.

Dioderna D1 och D2 är företrädesvis av Schottky-typ för att minska spänningsfallet över dem.

Från sin första anslutningspunkt P1 är lasten K anslu- ten till jord, företrädesvis via en tredje diod D3. Den tredje dioden D3 kan utelämnas men, såsom beskrivs närmare nedan, genom att inkludera den ökas systemets felsäkerhet.

I den föredragna utföringsformen inkluderar säkerhets- anordningen enligt uppfinningen även en andra kondensator C2, vilken är inkopplad parallellt med de seriekopplade dioderna D1 och D2. I det visade utföringsexemplet är ena änden av C2 ansluten till en punkt E mellan lastens andra anslutnings- punkt P2 och den andra dioden D2, och den andra änden jordad.

Såsom framgår nedan glättar den andra kondensatorn C2 spän- ningssignalen till lasten K.

På grund av den stora energimängd som kondensatorerna Cl och C2 normalt kommer att behöva lagra när uppfinningen används för att skydda laster med en så stor effektförbruk- ning som exempelvis växeldrivmotorer är de företrädesvis elektrolytiska. I en praktisk tillämpning var den första kondensatorn Cl exempelvis elektrolytisk med en kapacitans i storleksordningen 1000 uF. Denna kapacitans kan vara mindre, men valdes för att minska den inre resistansen hos Cl. I denna praktiska tillämpning' var den andra kondensatorn C2 -x 464 270 Z elektrolytisk med en kapacitans på ungefär 220 uF. Den andra kondensatorn C2 valdes med mindre kapacitans än Cl eftersom medelströmmen genom C2 är mindre, och eftersom ett för stort värde hade gett för lång frånslagstid för den valda lasten, vilken förbrukade ström på 0.3 till 1.0 A. I andra tillämp- ningar väljs C1 och C2 med hänsyn till den aktuella lastens strömförbrukning.

Om matningsspänningen +Us är positiv ansluts därvid den första kondensatorns Cl positiva ledning till punkten A mel- lan transistorerna, och den andra kondensatorns C2 positiva ledning kopplas till jord. Den första och den andra dioden Dl resp D2 framspänns i riktning mot jorden, och om den tred- je dioden D3 inkluderas främspänns den i riktning mot lasten K.

Med hänvisning till både fig. 1 och fig. 2 skall upp- finningens arbetssätt vid normal drift och vid fel nu beskri- VaS .

I. Normala driftsförhållanden Såsom nämndes ovan alstras vid normal drift styrsignal- erna Sl och S2 såsom pulståg i motfas, varvid transistorerna Ql och Q2 omväxlande bottnar och stryps, men aldrig intar sitt ledande eller icke ledande tillstånd samtidigt. När den första transistorn Q1 leder laddas den första kondensatorn Cl upp till en spänning som är endast något lägre än matnings- spänningen +Us. Skillnaden i spänningarna uppstår på grund av spänningsfallet över den första säkringen Fl (om denna inkluderas), över transistorn Q1, och över den första dioden D1. Skillnaden minimeras genom användning av MOS-FET och Schottky teknologi såsom nämnts ovan.

När den första transistorn Ql är strypt och den andra transistorn Q2 leder urladdas den första kondensatorn Cl genom den andra dioden D2. Den andra kondensatorn C2 laddas därvid till en spänning som är till sin amplitud något mindre än matningsspänningens, men med omvänd polaritet. När den andra kondensatorn CZ har sin maximala laddning är alltså spänningen i punkten E ungefär lika med -Uy På grund av spänningsfallet över olika mellanliggande komponenter kommer 464 270 å dock amplituden hos spänningen i punkten E i praktiken att vara ungefär 2.0 V lägre än matningsspänningens. Spänningen över lasten K kommer då att vara lika med spänningen över den andra kondensatorn C2, minus spänningsbortfallet över den andra säkringen F2 och den tredje dioden D3, om dessa inklu- deras.

Så länge transistorerna Ql och Q2 omväxlande leder och alla i kretsen ingående komponenter är hela "pumpas" därför energi genom lasten och fram till punkt E. Fig. 2 illustre- rar signalformerna i de i fig. 1 angivna punkterna i kretsen.

Normala driftsförhållanden antas föreligga fram till en tid- punkt tl.

Spänningsvariationer i punkt C, d v s i den första kon- densatorns ena elektrod, följer den första styrsignalen S1, eftersom den första transistorn Q1 bottnar när S1 intar sitt logiskt höga värde och därmed förbinder den första konden- satorn Cl med spänningskällan. När S1 är "låg", så att Q1 stryps, urladdas däremot Cl, varvid spänningnen :i punkt C också sjunker. När den första kondensatorn Cl urladdas sjun- ker spänningen i punkt D till ungefär -Us. På grund av spän- ningsfallet över den första dioden D1, när den första konden- satorn är uppladdad, stiger spänningen i punkt D till något över jordpotential. I praktiken varierar spänningen i punkt D från ungefär +0.7 V till ungefär -(Us - 0.5) V.

Såsom framgår av fig. 2 glättar den andra kondensatorn C2 spänningen till lasten K.

Om lasten K utgörs av ett relä kommer det att vara ak- tiverat så länge spänningen i punkt E är högre än dess till- slagsspänning. Genom att välja den andra kondensatorn C2 med tillräckligt hög kapacitans, och genom att välja omslagsfrek- vensen för transistorerna tillräckligt hög, kommer laddningen på C2 alltid att vara tillräckligt stor för att hålla reläet aktiverat under normala, felfria driftsförhállanden. Spän- ningen i punkt F kommer därför att hållas konstant vid U1.

Om själva lasten har en sådan mekanisk eller elektrisk för- dröjning att omslag inte kan ske under enda halvperiod av signalen i punkten D behövs ingen glättningskondensator alls, och den andra kondensatorn C2 skulle då kunna utelämnas. En 464 270 2 fördel med att inkludera den andra kondensatorn C2 är dock att säkerhetskretsen enligt uppfinningen kan tillämpas även vid laster utan egenfördröjning. Glättningen gör det också möjligt för båda styrsignaler att samtidigt inta det låga värdet under korta perioder, vilket minskar behovet av syn- kronisering av styrsignalerna något.

Man kan observera att spänningen i punkten E, d v s den ungefärliga spänningen över lasten, har omvänd polaritet jämfört med matningsspänningen, och ungefär samma amplitud.

II. Förhållanden vid signal- eller komponentfel Om den första styrsignalen S1 upphör kommer den första transistorn Ql att förbli strypt, vilket effektivt isolerar spänningskällan från resten av kretsen, och i synnerhet fràn lasten K.

Om den andra styrsignalen S2 upphör kan inte den första kondensatorn Cl urladdas, så att ingen energi kan "pumpas" till den andra kondensatorn C2 och till lasten K.

Om båda styrsignaler är höga samtidigt kommer båda transistorer Q1 och Q2 att leda samtidigt, varvid den första säkringen Fl går sönder och avbryter all spänningsmatning.

Detta sker också om båda transistorer Q1 och Q2 blir kort- slutna. Om endast den första transistorn Q1 blir kortsluten kommer Fl också att gå sönder så snart den andra transistorn Q2 får nästa puls.

Om den första kondensatorn Cl, vilken utgör en överför- ingskomponent, blir kortsluten fås kortslutning till jord genom den första dioden D1, och ingen energi kan överföras till den andra kondensatorn C2 och till lasten K.

Avbrott i den första dioden D1 hindrar också energi från att matas till den andra kondensatorn C2 och till lasten K.

Energiöverföring till lasten avbryts därför när något eller nâgra av följande tillstànd uppstår: a) frånvaro av någon eller båda av styrsignalerna; b) båda transistorer Q1, Q2 samtidigt intar det ledande tillståndet eller samtidigt intar det icke-ledande tillstån- det; 464 270 lQ c) kortslutning av den första transistorn Ql och/eller den andra transistorn Q2 och/eller den första dioden D1 och/- eller den andra dioden D2 och/eller den första kondensatorn Cl: d) avbrott i den första transistorn Q1 och/eller den första dioden D1 och/eller den andra dioden D2 och/eller den första kondensatorn Cl.

Med hänvisning till fig. 2, antag att energiöverföring avbryts_ Den negativa laddningen på den andra kondensatorn C2 kommer då att minska tills den vid tiden tz inte längre förmår aktivera lasten K. Lasten slår därmed om, och då lasten utgörs av ett relä ändras också tillståndet för dess brytkontakt.

Om styrsignalerna S1 och S2 är korrekta kan energi överföras till lasten endast om följande fel uppstår samtid- igt: 1) kortslutning i den första transistorn Q1; 2) kortslutning i den första kondensatorn Cl; 3) avbrott i den första dioden D1; 4) kortslutning i den andra dioden D2; och 5) kortslutning i den tredje dioden D3 (om D3 inkluderas).

Genom uppfinningen är således sannolikheten att lasten K oavsiktligt aktiveras nästan obefintlig. Uppfinningen möjliggör dessutom denna grad av säkerhet genom användning av ett fåtal vanliga komponenter, och med inga andra aktiva kom- ponenter än transistorerna Q1 och Q2.

Den tredje dioden D3 är inte nödvänding enligt uppfinn- ingen. Om den inkluderas ökas dock säkerheten något genom att den utgör ytterligare en komponent som mäste gá sönder (kort- slutas), d v s ytterligare ett villkor som måste uppfyllas, för att energi oavsiktligen skulle kunna matas till lasten.

Denna ökade säkerhet uppnås dock till priset av ett oftast försumbart spänningsfall på ungefär 1.0 V över D3. Om D3 inkluderas kan även någon känd övervakningskrets inkluderas för att upptäcka eventuell kortslutning hos D3. 'a af' 464 270 ll Såsom har beskrivits ovan och antytts i fig. 2 blir spänningen i punkten E (och D) ungefär lika med matningsspân- ningen men med omvänd polaritet. Om till exempel Us = +24 V blir spänningen i punkten E ungefär -24 V vid full laddning av C2. Detta innebär således en spänningsfördubbling (en förändring pá 48 V). Genom att anordna fler diod/kondensa- torsteg såsom den som har beskrivits ovan kan ytterligare fördubbling, fyrdubbling, o s v, uppnås. Om fyrdubbling av matningsspânningen anordnas, så att spänningen över lasten ökas från exempelvis -24 V till ungefär -96 V, skulle säker- heten hos kretsen ökas ytterligare, eftersom inte ens mat- ningsspânningen, om den oavsiktligen matades fram, skulle förmå utlösa lasten.

Flera alternativ till det i figurerna illustrerade ut- föringsexemplet har nämnts ovan. Uppfinningen är till ex- empel ingalunda begränsad till àstadkommande av en nödstopps- funktion. Genom en enkel ändring av kopplingen hos ett la- strelä skulle exempelvis spänningsbortfall hos lasten kunna aktivera, i stället för att stänga av, något anslutet var- ningssystem. Alla dessa alternativ omfattas naturligtvis av patentkraven.

Claims (8)

464 270 1% PATENTKRAV

1. En vid fel säker säkerhetsanordning vid matning av elektrisk energi till en elektrisk last (K) innefattande ett första styrbart kopplingselement (Q1), vilket har en första styringång, en första ingång och en första utgång och intar och ett ledande och ett icke-ledande tillstånd i beroende av en första styrsignal (S1), som är kopplad till den första styringángen, och ett andra styrbart kopplingselement (Q2), f! vilket har en andra styringång, en andra ingång och en andra utgång och intar ett ledande och ett icke-ledande tillstånd i beroende av en andra styrsignal (S2), som är kopplad till den andra styringången, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den första ingången är kopplad till en elektrisk spän- ningskälla med en matningsspänning (V); den första utgången är kopplad till den andra ingången; den andra utgången är kopplad till en elektrisk jord; den första utgången är kopplad till den elektriska jor- den över en första kondensator (Cl) och en första diod (D1); en första lastanslutningspunkt (P1) är ansluten till den elektriska jorden; en andra lastanslutningspunkt (P2) är ansluten till den elektriska jorden över en andra diod (D2) och den första dioden (D1); I den första dioden (Dl) är seriekopplad med den andra dioden (D2); den första styrsignalen (S1) och den andra styrsignalen (S2) är i motfas för att omväxlande försätta det första kopp- lingselementet (Q1) och det andra kopplingselementet (Q2) i det ledande tillståndet för omväxlande laddning via den för- sta dioden (D1) av den första kondensatorn (Cl) respektive urladdning via den andra dioden (D2) av den första kondensa- torn med alstring av en elektrisk potential över lasten (K); en säkring (Fl) är ansluten, mellan nämnda spännings- källa och nämnda första ingång varigenom energimatning till lasten (K) medelst säkerhetsanordningen avbrytes om något eller några av följande tillstånd uppstår: a) frånvaro av någon eller båda av styrsignalerna (S1, S2): eller 'g 464 279 b) båda kopplingselement (Q1, Q2) samtidigt intar det ledande tillståndet eller samtidigt intar det icke-ledande tillståndet; c) kortslutning av det första kopplingselementet och/eller det andra kopplingselementet (Q2) och/eller den första dioden (D1) och/eller den andra dioden (D2) och/eller den första kondensatorn (Cl); eller d) avbrott i det första kopplingselementet och/eller den första dioden (D1) och/eller den andra dioden (D2) och/- eller den första kondensatorn (Cl).

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V, att det första kopplingselementet består av en första transistor (Ql), och det andra kopplingselementet består av en andra transistor (Q2).

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den första transistorn (Q1) och den andra transistorn (Q2) är MOS-FET transistorer.

4. Anordning enligt patentkrav 1, k â n n e t e c k n a d d ä r a v, att den inkluderar en andra kondensator (C2) som är parallellkopplad med de seriekopplade första och andra dioderna (D1, D2) för att glätta spänningen till lasten (K) vid laddning av den första kondensatorn (Cl) och för uppladdning vid urladdning av den första kondensatorn (Cl).

5. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den inkluderar en första säkring (Fl) mellan spänningskällan och den första ingången hos det första kopplingselementet (Q1).

6. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d ä r a v, att den första lastanslutningspunkten (P1) är ansluten till den elektriska jorden över en lastskyddsdiod (ns) . 464 270 ”f

7. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att spänningen över den första och andra dioden (D1 och D2) har omvänd polaritet jämfört med matningsspân- ningen.

8. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att en andra säkring (F2) är inrättad mellan las- tens (K) andra anslutningspunkt (P2) och den andra dioden (D2) . f!