POWER SWITCH, IN PARTICULAR A TRANSISTOR POWER SWITCH

Abstract: 1. A power switch (1, 27), in particular a power transistor switch, with a current limiting switch (15) which monitors the current flowing through the power switch element (2, 26) and prevents a predetermined limit current value from being exceeded by the controlling of the power switch element (2, 26), and with a voltage monitoring switch (20) which monitors the fall in voltage on the power switch element (2, 26), in particular on a power transistor (26), which voltage monitoring switch is connected in a positive feedback switch with the current limiting switch (15), characterized in that the voltage monitoring switch (20) is coupled to the control signal wyich switches the power switch element (2, 26), is ineffective without this control signal and is a transistor switch which can be unblocked by the control signal.

Description: Leistungsschalter, insbesondere Leistungs transistorschalter Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter, insbesondere einen Leistungstransistorschalter, mit einer den durch das Leistungsschalterelement fliessenden Strom überwachenden und ein Uberschreiten eines vorbestimmten Grenzstromwerts durch Steuerung des Leistungsschalterelements verhindernden Strombegrenzungsschaltung. Ausserdem betrifft die Erfindung die Anwendung dieses eistungsschalters für die mehrachsige computerisierte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern. Bei der bisherigen computerisierten numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen, Industrierobotern o.dgl. war es erforderlich, die Leistungsschalter, mit denen die Stellglieder, zum Beispiel Magnetventile, Magnetbremsen, Hydraulikventile, Pumpen, grosse Steuerschütze etc., betätigt werden, gesondert von der eigentlichen Steuereinrichtung vorzusehen, weil diese Leistungsschalter im Kurzschluss- und Uberlastungsfall eine erhebliche Wärme entwickeln, die es unmöglich macht, sie zusammen mit den Steuerschaltungen in einem Baustein, zum Beispiel auf einer SchaltUngsplatte, vorzusehen, oder weil einige solcher Leistungsschalter, z. B. Relais, nur eine begrenzte Anzahl von Schaltspielen haben, wodurch es unpraktisch ist, sie in der vorgenannten Weise mit den Steuerschaltungen zusammenzubauen. Diese Auftrennung hat zur Folge, dass bisher sogenannte Maschinenverteiler notwendig sind, mittels deren die Steuersignale zu den verschiedenen Leistungsschaltern, die an den verschiedensten Stellen der jeweiligen Maschine angeordnet sind, verteilt werden müssen. Das bedeutet einen ganz erheblichen Aufwand an Verdrahtung, die jeweils an der spe ziehen Maschine ausgeführt werden muss und, abgesehen von dem Arbeits- und Zeitaufwand, die Möglichkeit beinhaltet, dass viele Fehler beim Herstellen der Anschlüsse entstehen, die dann in muhseligem zusätzlichem Zeit- und Arbeitsaufwand korrigiert werden müssen. Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Leistungsschalter zu schaffen, der mittels einer sehr geringen Steuerleistung betätigt werden kann und in der Lage ist, verhältnismässig grosse Leistungen zu schalten, wie sie zur Betätigung von Stellgliedern erforderlich sind, ohne dass er im Kurzschluss- und Uberlastungsfall eine nennenswerte Verlustleistung erzeugt. Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Leistungsschalter der eingangs genannten Art, erfindungsgemäss gelös-t durch eine den Spannungsabfall am Leistungsschalterelement, insbesondere an einem Leistungstransistor, überwachende Spannungsüberwachungsschaltung, die in einer Mitkopplungsschaltung mit der Strombegrenzungsschaltung verbunden ist. Auf diese Weise kommt es im Kurzschluss- und Uberlastungsfall nahezu augenblicklich, nämlich im Bereich von Mikrosekunden, zum Ausschalten des Leistungsschalterelements, insbesondere eines Leistungstransistors, so dass dieses Leistungsschalterelement im Kurzschluss- und tfberla- stungsfall praktisch keine Verlustleistung erzeugt, was in der Praxis heisst, dass die mögliche Verlustleistung vernachlässigbar klein ist, nämlich im Milliwatt-Bereich liegt. Wie durch Untersuchungen, die im Rahmen der Erfindung durchgeführt wurden, festgestellt werden konnte, ist die mit dem erfindungsgemässen Leistungsschalter erzielbare Abschaltzeit so klein, dass sie im wesentlichen gleich der datenmässig angegebenen uberhaupt möglichen Abschaltzeit eines Leistungstransistors ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spannungsüberwachungsschaltung an das das Leistungsschalterelement schaltende Steuersignal angekoppelt und ohne dieses Steuersignal unwirksam ist. Dadurch wird es ermöglicht, im Falle einer Abschaltung aufgrund von Kurzschluss oder Uberlastung den Leistungsschalter, der dann in den selbstsperrenden Zustand übergeht, wieder zu entsperren, indem das Steuersignal kurzzeitig weggenommen wird, nachdem der Kurzschluss oder die Uberlastung beseitigt ist. Vorzugsweise ist die Spannungsüberwachungsschaltung eine durch Steuersignal entsperrbare Transistorschaltung, in welchem Fall stich ein besonders einfacher Aufbau ergibt, obwohl es auch möglich ist, die Spannungsüberwachungsschal- tung und/oder die Strombegrenzungsschaltung als Operationsverstärker aus zuführen. Wegen der äusserst schnellen Abschaltung, die mittels des erfindungsgemässen Leistungsschalters im Kurzschluss- und im Uberlastungsfall erzielt wird, ist vorzugsweise die Spannungsüberwachungsanordnung mit einem Schaltelement versehen, welches das Wirksamwerden derselben im Einschaltfall verzögert, und zwar derart, dass die Spannungsüberwachungsschaltung erst nach einigen Mikrosekunden bis Millisekunden aktiv wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass kurzzeitige Uberlastungen, wie sie von verschiedenen Verbrauchern im Moment des Einschaltens vorkommen, ungewollt zum Abschalten und Selbstsperren des Leistungsschalters führen. Eine wesentliche Anwendung dieses Leistungsschalters besteht gemäss der Erfindung darin, dass er als Leistungsausgangsstufe zusammen mit der sein Steuersignal erzeugenden Steuerschaltung in einer gemeinsamen Steuerbaueinheit, insbesondere auf einer Steuerkarte, für computerisierte numerische Steuerung vorgesehen ist, und zwar ist er vorzugsweise in Vielfachanordnung auf diesem Steuerbaustein, ins besondere der Steuerkarte, zum Schalten von digitalen Ausgängen vorgesehen, in welchem Steuerbaustein bzw. auf welcher Steuerkarte zum Erzeugen der Steuersignale wenigstens -ein Prozessor mit Speicher und analoge und digitale Eingänge sowie gegebenenfalls digitale und/oder analoge Istund/oder Sollwertschaltungen und gegebenenfalls eine oder mehrere Schnittstellen zum Anschluss an Datenverarbeitungs einridhtungen und Bedienungseinrichtungen vorgesehen sind. Eine besonders bevorzugte erfindungsgemässe Anwendung des Leistungsschalters ist eine Vielfachanordnung auf einer Einkarte für mehrachsige computerisierte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern. Im vorliegenden Zsamnhang ist besonders zu beachten, dass die üblichen Beistungsschalter im Uberlastungs- oder Kurzschlussfall ganz erhebliche thermische Leistungen erzeugen oder, wenn es sich um Relais handelt, ihre Kontakte verschweissen können, und dass derartige Leistungsschalter bei einer Steuerung der vorstehend angegebenen Art in einer grossen Anzahl vorgesehen sein müssen. Würde man übliche Leistungsschalter in der erforderlichen Vielfachanordnung auf einem Baustein, zum Beispiel einer Einkarte der vorerwähnten Art, zusammen mit der sonstigen Steuerschaltung einschliesslich Prozessor, Schnittstellen etc. anordnen, dann würde bei sinnvollen Abmessungen dieses Bausteins, insbesondere der Einkarte, die Gefahr bestehen, dass der Baustein zerstört werden würde, wenn es bei mehreren Leistungsschaltern gleichzeitig zu einem Kurzschluss- oder Uberlastungsfall käme; damit muss aber auf jeden Fall gerechnet werden; wenn Relais als Leistungsschalter verwendet würden, dann müssten diese wegen ihrer nur begrenzten Lebensdauer "laufend" ausgewechselt werden, was bei ihrem Zusammenbau mit der Steuerschaltung zu oft zu Störungen von deren Funktion führen würde. Erst der erfindungsgemässe Leistungsschalter ermöglicht einen Aufbau einer Einkarte für mehrachsige computerisierte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern. Er kann so ausgelegt werden, dass-er einen Strom von bis zu 2 A bei einer Spannung bis zu 40 V kurzschlussfest und überlastsicher schalten kann, wobei er eingangs seitig nur eine geringe Steuerleistung, zum Beispiel ein TTL Signal von 2,5 V und 16 mA benötigt (TTL = Transistor-Transistor-Logik). Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert; es zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform eines Leistungsschalters nach der Erfindung, und zwar im wesentlichen als Block schaltbild dargestellt; Figur 2 eine näher ausgeführte Schaltung einer beson ders bevorzugten Ausführungsform eines Leistungsschal ters, welcher den in Figur 1 dargestellten grundsätz lichen Aufbau hat und als Leistungstransistorschalter ausgeführt ist; und Figur 3 eine Steuerkarte für mehrachsige camputerisier- te numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen oder In dustrierobotern, auf welcher der erfindungsgemässe Lei stungsschalter in Vielfachanordnung vorgesehen ist und die erst durch den Leistungsschalter nach der Erfindung ermöglicht wird. Es sei zunächst anhand des Blockschaltbilds der Figur 1 eine bevorzugte Grundausbildung des Leistungsschalter dargestellt. Dieser Leistungsschalter, der insgesamt mit 1 bezeichnet ist, umfasst das eigentliche Leistungsschalterelement 2. Da der Leistungsschalter bevorzugt ein Leistungstransistorschalter ist, ist dieses Leistungsschalterelement 2 vorzugsweise ein Leistungstransistor. Der Leistungsschalter liegt im Stromkreis zwischen dem Anschluss 3, an dem beispielsweise eine positive Versorgungsspannung +V angeschlossen ist, die natürlich auch eine negative Versorgungsspan nung sein kann, und einem Anschluss 4, an den die Last 5 angeschlossen wird, die mittels des Leistungsschalterelements 2 ein- oder ausgeschaltet werden soll. Die Last 5 ist im Falle von Maschinen- oder Prozesssteuerungen oder von sonstigen Industrierobotern, die über den Leistungsschalter 1 betätigt werden sollen, ein Stellglied, zum Beispiel ein Magnetventil, eine Magnetbremse, ein Hydraulikventil, eine Pumpe, ein grosser Steuerschütz etc. Das Steuersignal, welches das Öffnen oder Schliessen des Leistungsschalterelements 2 bewirkt, wird über eine Steuersignalleitung 6 zugeführt, die im vorliegenden Beispielsfall zum Zwecke der galvanischen Entkopplung mit der entsprechenden Steuereinrichtung durch einen Optokoppler 7 verbunden ist, so dass also das eigentliche Steuersignal über die Anschlüsse 8 und 9 einer lichtemittierenden Diode 10 zugeführt und von einem Phototransistor 11 aufgenommen wird, der direkt an die Steuersignalleitung 6 angekoppelt ist. Als Verbindungsglied zwischen der Steuersignalleitung 6 und dem Steueranschluss 12 des Leistungsschalterelements 2 ist ein UND-Tor 13 eingezeichnet, weil eine Betätigung des Bei- stungsschalterelements 2 nur möglich sein soll, wenn es durch die nachfolgend beschriebene Schaltung geschützt ist, mittels deren ein internes Steuersignal erzeugt wird. Dieses interne Steuersignal wird über die > Steuersignalleitung 14 von einer Strombegrenzungsschaltung 15 her zugefuhrt, so dass also der eine Eingang des UND-Tors 13 mit der Steuersignalleitung 6 und der andere Eingang dieses UND-Tors mit der Steuersignalleitung 14 verbunden ist, während der Ausgang des UND-Tors 13 an den Steueranschluss 12 angeschlossen ist. Die Strombegrenzungsschaltung 15 liegt nach der Darstellung der Figur 1 in Reihe mit dem Leistungsschalterelement 2 und der Last 5, weil sie im allgemeinen einen Stromfühlwiderstand aufweist, welcher direkt in den Stromkreis der Last geschaltet ist; es kann natürlich auch eine induktive oder sonstige- Stromfühlschaltung vorgesehen sein. Die Strombegrenzungsschaltung 15 überwacht infolgedessen den durch den Leistungsschalter 1, dh. genauer gesagt den durch das Leistungsschalterelement 2, hindurchfliessenden Strom und verhindert ein Überschreiten eines vorbestimmten Grenzstromwerts im Lastkreis 19 und damit im Leistungsschalterelement 2. Das geschieht dadurch, dass die Strombegrenzungsschaltung 15 das Leistungsschalterelement 2 je nach dem durch dasselbe im Lastkreis 19 hindurchfliessenden Strom mehr oder weniger sperrt. Die Strombegrenzungsschaltung 15 ist also im allgemeinen eine Regelschaltung, die den Strom, der durch das Leistungsschalterelement 2 fliesst, immer konstant zu halten versucht. Ausser der Strombegrenzungsschaltung 15-weist der Leistungsschalter 1 noch eine Spannungsüberwachungsschaltung 20 auf, welche den am Leistungsschalterelement 2 entstehenden Spannungsabfall misst und infolgedessen über Anschlussleitungen 21 und 22 mit den beiden Schalteranschlüssen des Leistungsschalterelements 2 verbunden ist. Der Ausgang der Spannungs überwachungsschaltung 20, an dem ein Spannungsfehlersignal erhalten wird, das umso grösser ist, je grösser der rannungs- abfall am Leistungsschalterelement 2 ist, ist über die Leitung 23 mit der Strombegrenzungsschaltung 15 verbunden, und zwar derart, dass das Spannungsfehlersignal der Strombegrenzungsschaltung zusätzlich zu dem Stromfehlersignal, das diese Strombegrenzungsschaltung 15 aus der Strommessung erzeugt, als weiteres Steuersignal zugeführt wird. Dieses Steuersignal wirkt in der Strombegrenzungsschaltung 15 so, als ob die Strombegrenzungsschaltung einen zu hohen Strom "wahrneh men" würde, so dass sie zum Zwecke des Verminderns des durch das Leistungsschalterelement 2 fliessenden Stroms ein entsprechendes Gesamtfehlersignal über die Leitung 14 und das UND-Tor 13 auf den Steueranschluss 12 gibt, wodurch das Leistungsschalterelement 2 etwas mehr geöffnet wird. Dadurch wiederum kommt es zu einem noch grösseren Spannungsabfall am Leistungsschalterelement 2, so dass infolgedessen die Spannungsüberwachungsschaltung 20 ein noch grössers Spannungsfehlersignal auf der Leitung 23 erzeugt, welches wiederum über die Strombegrenzungsschaltung 15 im Sinne eines weiteren öffnens des Leistungsschalterelements 2 wirkt, etc. Die Spannungsüberwachungsschaltung 20 ist infolgedessen in einer Mitkopplungsschaltung mit der Strombegrenzungsschaltung 15 verbunden, und die Zeit, innerhalb deren eine solche Mitkopplung zum völligen Ausschalten des Leistungsschalterelements 2 führt, ist äusserst kurz, sie beträgt beispielsweise, wie durch Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde, nur Mikrosekunden, Aufgrund des Vorgangs der Mitkopplung als solchem und aufgrund der ausserordentlichen Schnelligkeit, mit der dadurch das Ausschalten des Leistungsschalterelements 2 bewirkt wird, sind in der Schaltungsanordnung - nach Figur 1 zwei über die vorstehend beschriebene grundsätzliche Schaltung hinausgehende zusätzliche 5 chaltungsmassnahmen vorgesehen: : (a) Da der Vorgang der Mitkopplung vorliegend zur Folge hat, dass sich der Leistungsschalter 1 auch weiterhin selbst sperrt, wenn er einmal durch einen Kurzschluss oder eine Uberlastung aufgrund der Mitkopplung in den sperrenden Zustand übergegangen ist, ist die Spannungs überwachungsschaltung 20 über eine Leitung 24 mit der Steuersignalleitung 6 verbunden, und das über die Lei tung 24 zugeführte Steuersignal wird in der Spannungs überwachungsschältung 20 dazu benutzt, diese zu ent sperren, so dass also die Spannungsüberwachungsschaltung 20 beim Abschalten des Steuersignals unwirksam gemacht wird und infolgedessen die Selbstsperre des Leistungs schalterelements 2 nach einem durch Kurzschluss oder Überlastung bewirkten Ausschalten aufgehoben wird. Da her ist es zur Aufhebung der Selbstsperre des Lei stungsschalterelements 2 lediglich notwendig, über ei nen geeigneten Schalter, der zum Beispiel im Kreis der lichtemittierenden Diode 10 liegen kann, oder in son stiger geeigneter Weise, die Zuführung des Steuersig nals kurz zu unterbrechen, nachdem der Kurzschluss oder Uberlastungszustand im Lastkreis 19 nicht mehr vorliegt. (b) Da die Mitkopplung, wie erwähnt, in äusserst kurzer Zeit wirkt, ist die Spannungsüberwachungsschaltung 20 mit einem deren Wirksamwerden beim Einschalten verzögern den Schaltelement 25 versehen. Auf diese Weise wird er reicht, dass kurzzeitige Uberlastungen im Lastkreis 19, die noch nicht zur Zerstörung oder ernsthaften Beschä digung oder Erwärmung des Leistungsschalterelements 2 führen, noch keine Abschaltung des Leistungsschalter elements 2 bewirken können. Das ist wichtig, damit nicht irgendwelche im Betrieb auftretende und an sich zulässige Stromstösse in unerwünschter Weise ein Ab schalten des Leistungsschalterelements 2 zur Folge ha ben. Damit die Steuerschaltung, zum Beispiel der darin vorgesehene Rechner, Prozessor o.dgl., feststellen kann, ob und an welcher Stelle ein Kurzschluss oder eine Uberlastung aufgetreten ist, ist eine Rückführung 107 vorgesehen, die von dem Anschluss 4 ausgeht und über einen Widerstand 100 sowie einen Optokoppler 103, bestehend aus einer lichtemittierenden Diode 101 und einem Phototransistor 102 mit Pull-up-Widerstand 104, am Anschluss 105 ein Signal liefert, welches anzeigt, ob das Leistungsschalterelement 2 bzw. 26 durchgeschaltet hat. Des weiteren gestattet diese Rückführung auch die Verwendung dieses Leistungsschalters 1 bzw. 27 als Eingangsschaltung (siehe 50 in Figur 3), wenn am Anschluss 4 die Versorgungsspannung (zum Beispiel 24 Volt) angelegt wird, wobei dann natürlich die Last 5 entfällt. Dabei bleibt zwar das Leistungsschalterelement 2 bzw. 26 unbenutzt, aber die Steuereinheit, zum Beispiel die Einkarte 35 (Figur 3), lässt sich vielseitiger verwenden, da eine variable Aufteilung der Ein- und Ausgangsschaltungen in Ein- und Ausgänge per Programm möglich ist. Selbstverständlich kann diese Rückführung auch anders als dargestellt ausgebildet sein, entscheidend ist, dass sie ein den Spannungszustand am Anschluss 4 repräsentierendes Signal liefert. Es sei nun auf die Figur 2 Bezug genommen, in der das Leistungsschalterelement 2 der Figur 1 ein Leistungstransistor 26 ist. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass, abgesehen von einzelnen Schaltelementen, im allgemeinen die Bezugszeichen der Figur 1 auch in Figur.-2 verwendet worden sind, so dass Schaltung der Figur 2 im Prinzip, abgesehen von den nachstehend beschriebenen Einzelheiten, aus der obigen Erläuterung der Schaltung nach Figur 1 verständlich ist. Bei dem in Figur 2 dargestellten, insgesamt mit 27 bezeichneten Leistungsschalters sind sowohl die Strombegrenzungsschaltung 15 als auch die Spannungsüberwachungsschaltung 20 TransistormeB- bzw. Verstärkerschaltungen: (1) Die Strombegrenzungsschaltung 15 umfasst einen Transi stor 28, der den Spannungsabfall, welcher an einem im Lastkreis 19 liegenden Stromfühlwiderstand 29 erhalten wird, über einen Basiswiderstand 30 überwacht und über die Steuersignalleitung 14 ein Stromfehlersignal auf die Basis des Leistungstransistors 26 gibt, welches in der oben beschriebenen Weise wirkt. (2) Die Spannungsüberwachungsschaltung 20 besitzt einen Transistor 31, der den Spannungsabfall am Leistungs transistor 26 überwacht. Der Transistor 31 ist im ein zelnen so geschaltet, dass sein Kollektor direkt mit dem Kollektor des Leistungstransistors 26 verbunden ist, während seine Basis über einen Kondensator 34 mit dem lastseitigen Anschluss des Stromfühlwiderstands 29 ver bunden und sein Emitter über einen Emitterwiderstand 32 an die Basis des Transistors 28 angekoppelt ist. Zum Entsperren des Transistors 31 ist seine Basis ausserdem über einen Widerstand 33 mit der Steuersignalleitung 6 verbunden. (3) Als Verzögerungsglied 25 ist ein RC-Glied, nämlich der Kondensator 34 zusammen mit dem Widerstand 33, vorgese hen. Dieser Kondensator 34 ist vorzugsweise so bemessen, dass die Ansprechzeit des Leistungsschalters 27 gegenüber Einschaltüberlastungen im Bereich von /usec bis msec liegt. Innerhalb dieser kurzen Zeit wird der Leistungs transistor 26 auch bei Überlastung noch nicht so heiss, dass er zerstört wird, dauert die Überlastung länger, dann wird er jedoch abgeschaltet. Wie man aus der Figur 2 ersieht, wird das auf der Leitung 23 vorhandene Spannungsfehlersignal dem Transistor 28 zusätzlich zum Stromfehlersignal zugeführt, das durch den Stromfühlwiderstand 29 erhalten wird und mittels des Basiswiderstands 30 an den Transistor 28 angekoppelt ist. Wenn dem Transistor 31 über die Steuersignalleitung 6, die Leitung 24 und den Widerstand 33 kein Steuersignal zugeführt wird, dann geht der Transistor 31 in den sperrenden Zustand über, so dass über den Emitterwiderstand 32 kein Spannungsfehlersignal auf die Basis des Transistors 28 gelangt und infolgedessen die Selbstsperrung des Leistungsschalters 27 nach einem Kurzschluss oder einer Überlastung aufgehoben wird. Wie durch die Figur 1 bereits angedeutet ist, müssen die Strombegrenzungsschaltung 15 und die Spannungsuberwachungs- schaltung 20 keineswegs unbedingt einfache Transistorschaltungen sein, sondern können auch in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein, zum Beispiel kann sowohl die Strombegrenzung als auch die Spannungsüberwachung mittels je eines Operationsverstärkers durchgeführt werden. Da der Leistungsschalter 1 und 27 eingangsseitig mit einer sehr geringen Steuerleistung auskommt, wie sie von üblichen Steuerschaltungen geliefert wird, nämlich zu B. (100 mW (5 V, 16 mA TTL-Pegel), und da er ausgangsseitig so hohe Leistungen schalten kann, wie sie zur direkten Betätigung von Stellgliedern erforderlich sind, nämlich beispielsweise 80 W (40 V, 2 A), ohne dass dieser Leistungsschalter eine nennenswerte Verlustleistung im Uberlastungs- und Kurzschlussfall erzeugt, kann er in Vielfachanordnung zusammen mit den entsprechenden Steuerschaltungen zu seiner Steuerung auf einer relativ kleinen Schaltungsplatte untergebracht werden, insbesondere auf einer Einkarte für computerisierte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen, Prozesssteuereinrichtungen und Industrierobotern, die direkt nicht nur mit den Gebern sondern auch mit den Stellgliedern der Werkzeugmaschine, der Prozessanlage oder des Industrieroboters verbindbar ist. Eine solche Einkarte für computerisierte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern, die aufgrund des erfindungsgemässen Leistungsschalters ermöglicht wird, sei nachstehend anhand der Figur 3 erläutert: Die Einkarte 35, die eine kostengünstige und ausserordentlich leistungsfähige computerisierte numerische Steuerung mit hoher Anwendungsbreite ermöglicht, besitzt als eigentliche Steuereinrichtung einen Prozessor 36. Dieser Prozessor 36 ist eingangs- und ausgangsmässig über einen internen Bus 37 mit den einzelnen Baueinheiten, die auf der Einkarte 35 untergebracht sind, verbunden, die durch ent-sprechende Anschlüsse 38 eingangs- und ausgangsseitig an den internen Bus 37 angekoppelt sind (in Figur 3 sind nur einige dieser Anschlüsse aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung mit einem Bezugszeichen versehen). Auf der Einkarte 35 sind folgende einzelne Baueinheiten vorgesehen: eine Lageregelungsschaltung 39, die ein Istwertsystem 40 und ein Sollwertsystem 41 umfasst; ausserdem gehört zu der Lageregelungsschaltung 39 noch eine Handradeingangsschaltung 42. Die Lageregelungsschaltung 39 dient dazu, entsprechende Achsen 43 in Werkzeugmaschinen, Industrierobotern o.dgl. in ihrer Lage zu regeln, und ist deshalb über Istwerteingänge 44 und über Sollwertausgänge 45 mit den entsprechenden Gebern und Stellgliedern der Achsen 43 verbunden. Zusätzliche Sollwertausgänge vom Sollwertsystem 41 sind bei 46 vorgesehen. Die Handradeingangsschaltung 42 dient dazu, Istwertsysteme nicht genutztes Achsen als Handradeingänge oder als zusätzliche Messsysteme, zum Beispiel direktes Werkstückmesssystem, zu nutzen; hierzu sind entsprechende Istwerteingänge 47 vorgesehen, die von zusätzlichen äusseren Gebern herkommen, welche, wie bei 48 angedeutet ist, an einem Handrad, einer Dickenmesseinrichtung, o.dgl. vorgesehen sind. Weiterhin ist eine speicherprogrammierbare Steuerschaltung 49 auf der Einkarte 35 vorgesehen, deren Eingangsschaltungen 50 über Eingänge 51 mit Digitalgebern 52, beispielsweise Endschaltern, verbunden werden können, und deren Ausgangsschaltungen 53 über Ausgänge 54 mit Stellgliedern 55 verbunden werden können, wie beispielsweise mit Magnetventilen, Magnetbremsen, Hydraulikventilen, Pumpen o.dgl. Schliesslich sind analoge Eingangsschaltungen 56 vorgesehen, die über entsprechende Eingänge 57 mit Analoggebern 58 der Maschine, des Industrieroboters o dgl. verbindbar sind; diese Analoggeber 58 können beispielsweise zusätzliche Messgeräte, Temperaturkontrolleinrichtungen, Grenzwertüberwachungsgeber o.dgl. sein. Die vorstehend beschriebenen Baueinheiten 39, 49 und 56 bilden gewissermassen den maschinen- bzw. industrieroboter zeitigen Teil der Einkarte 35, die ausserdem noch einen datenverarbeitungsseitigen Teil aufweist, der nachstehend kurz erläutert ist und folgendes umfasst: Zunächst ist ein Systemspeicher 59 vorgesehen, der dazu dient, das Grundprogramm zu speichern, welches von der jeweiligen speziellen Anwendung der Einkarte 35 abhängt. Dieser Systemspeicher kann durch entsprechende Steckplätze, die auf der Einkarte 35 vorgesehen sind, erweitert werden, wie bei 60 angedeutet ist. Weiter befindet sich auf der Einkarte 35 ein Anwenderspeicher 61, in den die speziellen Daten, mit denen das im Sy stemspeicher 59 gespeicherte Grundprogra'mn betrieben werden soll, eingegeben werden. Der Anwenderspeicher 61 ist, wie bei 62 angedeutet, wahlweise mit EPROM-Speichern anstelle von CMOS-Speichern durch entsprechende, auf der Einkarte 35 vorgesehene Steckplätze bestückbar. Es sei darauf hingewiesen, dass alle Speicherbereiche des Anwenderspeichers 61 gepuffert sind. Weiter ist eine serielle Dateneingabe-/-ausgabeeinheit 63 vorgesehen, die über Anschlüsse 64 an äussere Datenspeicherbzw. -verarbeitungsgeräte 65 angeschlossen werden kann, zum Beispiel zum Zwecke der Programmeingabe in den Anwenderspeicher 61, oder zum Anschluss eines externen Rechners zur direkten Steuerung oder zum Zwecke der Kommunikation zwischen mehreren Maschinen (Datenaustausch). Eine parallele Dateneingalje-/-ausgabeeinheit 66 auf der Einkarte 35 kann über Anschlüsse 67 an entsprechende Datenspeicher- bzw. -verarbeitungsgeräte 68 angeschlossen werden, zum Beispiel an einen Drucker, einen Lochstreifenstanzer oder -leser o.dgl. Zum datenverarbeitungsseitigen Teil gehören ausserdem noch eine Video-Schnittstelle 69 und eine Tastatur-Schnittstelle 70, von denen erstere über Ausgangsanschlüsse 71 an einen Videomonitor 72 und letztere über Eingangsanschlüsse 73 an eine Tastatur 74 einer Bedientafel 75 anschliessbar ist. Schliesslich besitzt die Einkarte 35 noch eine Rechnerkopplungseinheit 76 mit Speicher 77 und eine Buserweiterungseinheit 78. Mittels der Rechnerkopplung 76 können, wie bei 80 angedeutet ist, zwei identische Einkarten 35 direkt miteinander gekoppelt werden. Die Buserweiterung 78 ist eine Schnittstellenerweiterung für Hardware. Es seien nachstehend Daten einer bevorzugten AusfEhrungs- form einer Einkarte 35 angegeben: (a) Lageregelungsschaltung 39 Achsenzahl: 6 lagegeregelte Achsen Istwertsystem: Inkrementale Impulsgeber mit einem Nullimpuls. Die Istwertimpulse werden in einem zyklisch absoluten Istwert zähler (16 Bit) aufsummiert und von der Lageregelung im Lageregeltakt.Eber- nommen. Sollwertsystem: 8 Sollwertausgänge mit 12 Bit D/A Wandler + 10 V und Reglerfreigabesig nal (6 lagegeregelte Achsen + 2 Aus gänge für z.B. Drehzahlsollwert oder Sollwert für Schweissstrom o.ä.). Abtastrate ist auf 2, 4, 8, 16 msec einstellbar. (b) Eingangsschal tungen 50 umfassen 64 optoentkoppelte digitale 24V-Eingänge. Bei integrierter SPS können alle Eingänge (ausser Referenz punkt, Reglerfreigabe und Endschalter) frei belegt werden. Zusätzlich lassen sich NC-interne Zustände unmittelbar abfragen. (c) Ausgangsschal tungen 52 umfassen 48 optoentkoppelte dauerkurz schlussfeste überlastges chützte digita le 24V-Ausgänge. Bei integrierter SPS sind alle 48 Ausgänge frei belegbar. Alle Ausgänge sind für 2 A ohmsche oder induktive Lasten ausgelegt. Lam penlast max. 6 W. Ausgänge sind über lastsicher und kurzschluss fest; mittels Leistungsschaltern 1 bzw. 27 aufge baut. (d) Analoge Ein gangsschaltun gen: Für +/- 10 V jeweils 4 Eingänge mit 8 Bit A/D-Wandler und für O bis 5 V je weils 12 Eingänge mit 8 Bit A/D-Wand 1er. (e) Prozessor 36: Vorgesehen ist ein 16 Bit Mikroprozes sor MC 68000 mit 4, 8, (10), (12) MHz und 24 Bit Adressraum. (f) Systempeider 59: Vorhanden sind 10 Steckplätze für un ters chiedli che EPROM-Typen (Systempro grammspeicher), nämlich 2716 10 x 2 KB = 20 KB 2732 10 x 4 KB = 40 KB 2764 10 x 8 KB = 80 KB 27128 10 x 16 KB = 160 KB 27256 10 x 32 KB = 320 KB (g) Anwenderspei cher 61: Vorhanden sind 8 Steckplätze à 2, 4, 8 KB CMOS, wahlweiseauch mit 2716, 2732, 2764 EPROM bestückbar, Arbeitsspeicher 4 KB integrierte SPS (4 KB) NC-Programmspeicher 4 - 60 KB (h) Serielle Daten eingabe/-ausga beeinheit 63: Vorgesehen sind drei V24-Schnittstel- len mit prgrammierbarer Baudrate (50 19200), davon eine auf 20 mA umschalt bar. (i) Parallele Daten eingabe/-ausgabe einheit 66: Vorgesehen sind 8 programmierbare Ein-/Ausgänge plus 4 Steuersignale (TTL), z.B. für Lochstreifen-StanzerJ Leser oder weiteres Tastatur-Interface. (j) Video-Schnitt stelle 69: Grafik 512 x 512 Purdçte Auflösung, Vektorgenerator ASCII Zeichensatz, Schriftgrösse varia bel von 5 x 8 bis 80 x 128 Punkte ein stellbar, inverse Darstellung der Schrift, Cursorgrösse und -blinkzeit programmierbar. (k) Tastaturschnitt- stelle 70: Umfassend 72 Tasten, und zwar 12 Ta sten zur Zahleneingabe und 60 Funk tionstasten. (1) Buserweiterungs einheit 78: Gepufferte Buserweiterung mit einem Adressraum von 128 KW für anwendungs abhängige Schnittstellen oder Speicher erweiterung. (m) Rechnerkopp lungseinheit 76: Die Kopplung zweier Karten zu maximal 12 Achsen oder 4 Handrädern und 8 Ach sen ist möglich. (n) Spannungsrsorggng: 5 V und +/- 15 V Ende der Beschreibung.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Leistungsschalter (1,27), insbesondere Leistungstransistorschalter, mit einer den durch das Leistungsschalterelement (2,26) fliessenden Strom überwachenden und ein Überschreiten eines vorbestimmten Grenzstromwerts durch Steuerung des Leistungsschalterelements (2,26) verhindernden Strombegrenzungsschaltung (15), g e k e n n z e i c hn e t durch eine den Spannungsabfall am Leistungsschalterelement (2,26), insbesondere an einem Leistungstransistor (26), überwachende Spannungsüberwachungsschaltung (20), die in einer Mitkopplungsschaltung mit der Strombegrenzungsschaltung (15) verbunden ist. 2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch g-e k e n n z e i c h n e t , dass die Spannungsüberwachungs- schaltung (2Q) an das das Leistungsschalterelement (2,26) schaltende Steuersignal angekoppelt und ohne dieses Steuersignal unwirksam ist. 3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spannungsüberwachungs- Schaltung (20) eine durch das Steuersignal entsperrbare Transistorschaltung ist. 4. Leistungsschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spannungs überwachungsschaltung (20) und/oder die Strombegrenzungs Schaltung (15) ein Operationsverstärker ist. 5. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spannungs überwachungsschaltung (20) mit einem deren Wirksawrden nadi dem Einsdlalten verzögernden Vgerungsglied (25,32,34) versehen ist. 6. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch g e k- e n n z e i c h n e t , dass die Verzögerung der Spannungsüber wadiungssdiaitung (20) während des Einsdialtens derselben im MLllise- kunden-Bereich liegt. 7. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass er als Bei- stungsausgangsstufe zusammen mit der sein Steuersignal er zeugenden Steuerschaltung in einer gemeinsamen Steuerbaueinheit, insbesondere auf einer Steuerkarte (35) für computerisierte numerische Steuerung vorgesehen ist. 8. Leistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass er in Vielfachanordnung in einem Steuerbaustein, insbesondere auf einer Steuerkarte (35), für computerisierte Steuerung zum Schalten von digi talen Ausgängen vorgesehen ist, in dem bzw. auf der zum Er zeugen der Steuersignale wenigstens ein Prozessor (36) mit Speicher (59,61) und analoge und digitale Eingänge (50,53, 56) sowie gegebenenfalls digitale und/oder analoge Istund/oder Sollwertschaltungen (40,41,42) und gegebenenfalls eine oder mehrere Schnittstellen (63,66,69,70) zum Anschluss an Datenverarbeitungseinrichtungen (65,68) und Bedienungs einrichtungen (72,74,75) vorgesehen sind. 9. Leistungsschalter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass er in Vielfachanordnung auf einer Einkarte (35) für mehrachsige computerisierte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern vorgesehen ist. 10. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass eine den Kurzschluss- oder Überlastfall erfassende Rückführung (107) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass der gesamte Leistungsschalter (1,27) auch als digitaler Nur-Eingang nutzbar ist.

Inventors: MEIER, HORST, DR.-ING., MULLER, GOTTFRIED, Müller, Gottfried 
Applicants: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.
Application year: 1982
Main classification: H03K17
IPC codes: G05B19, H03K17