DE2046140C2

DE2046140C2 - Schaltungsanordnung zur redundanten Signalübertragung bei einem Flugregler

Info

Publication number: DE2046140C2
Application number: DE2046140A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dipl.-Ing. 7700 Singen Matejka
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1970-09-18
Filing date: 1970-09-18
Publication date: 1981-12-24
Also published as: IT965008B; FR2107815B2; DE2046140A1; US3760284A; FR2107815A2

Description

U_n =

n-1

AU

beträgt und

daß der Widerstand R jedes Zweipols unterhalb der Spannungsschwelle einen endlichen Wert von

R -

besitzt.

Die Erfindung be:rifft eine Schaltungsanordnung zur redundanten Signalübertragung r. it einem verlangten Ausgangsstrom In in π Kanälen bei einem Flugregler, dessen Stabilitätseigenschaften nur Signalsprünge von maximal Δ Uzulassen, bei welcher die Eingangsspannungen über π Widerstandszweige auf einen gemeinsamen Lastwiderstand aufgeschaltet sind, an dem die Mittelwert-Ausgangsspannung abfällt, und bei welcher die Widerstandszweige mit Halbleitern aufgebaute, spannungsabhängige Zweipole enthalten, deren Widerstand oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird.

Bei Regelanlagen, bei denen eine besonders hohe Zuverlässigkeit lebenswichtig ist, wie etwa bei Flugreglern, ist es bekannt, Signale redundant zu erzeugen und zu übertragen. Es sind beispielsweise für die Lageregelung eines Flugreglers drei identische Kreisel vorgesehen, deren Signale in drei getrennten Kanälen übertragen werden. Aus den drei so übertragenen Signalen werden durch Mittelwertbildung oder bei einer ungeraden Zahl vo.i Signalen durch Bildung des Median geeignete Steuersignale abgeleitet. Bei Schaltungsanordnungen dieser Art, bei denen die als Steuersignale dienenden Ausgangssignale durcli Bildung des arithmetischen Mittels erzeugt werden, besteht die Gefahr, daß das arithmetische Mittel sehr stark verfälscht wird, wenn ein Kanal ausfällt oder ein Meßwertgeber ausfällt. Es muß daher Vorsorge gegen ein solches »Weglaufen« des arithmetischen Mittels getroffen werden.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DE-AS 12 10 071) enthalt jeder von drei Kanälen einen Verstärker und einen Vorverstärker mit regelbarem Verstärkiingsgnid. Die Ausgangssignalc aller drei Verstärker sind drei Mittelwert bildenden Schaltungen zugeführt, die ein dem arithmetischen Mittel der Ausgangssignale entsprechendes Mittelwertsignal erzeugen. Das Ausgangssignal des Verstärkers in jedem der drei Kanäle wird mit diesem Mittelwertsignal verglichen. Von der Differenz dieser Signale ist der Ί Verstärkungsgrad des Vorverstärkers regelbar. Auf diese Weise werden die Verstärkungsgrade in den drei Kanälen so geregelt, daß schließlich jeder Kanal ein Ausgangssignal entsprechend den durch die Mittelwert bildender. Schaltungen erzeugten Mitteiwertsignalen

in liefert Die Ausgangssignale der drei Kanäle s;euern je einen Stellmotor, der wiederum ein Stellungs-Rückführsignal auf den zugehörigen Verstärker gibt Eine solche Schaltungsanordnung mit drei Mittelwert bildenden Schaltungen und drei regelbaren Verstärkern ist

ι ϊ aufwendig und für sich wieder störanfällig.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform (ebenfalls DE-AS 12 10 071) ist ein Hauptkanal vorgesehen. Die in zwei Nebenkanälen übertragenen Signale werden mit dem Signal des Hauptkanals verglichen. Die

ίο Differenzen zwischen dem Signal des Hauptkanals und den Signalen der Nebenkanäle werden über Integratoren auf die in den Nebenkanälen vorgesehenen Verstärker aufgeschaltet Damit werden jedenfalls langzeitig die Signale der Nebenkanäle an die Signale des Hauptkanals angeglichen. Auch diese Anordnung ist kompliziert Es sind keine drei gleichberechtigte Kanäle vorgesehen, die bei Ausfall eines Meßgebers oder eines Kanals einen Schlt3 auf das »richtige« Signal zulassen würden.

in Bei einer weiteren bekannten Schaltungsanordnung enthalten die drei Kanäle Verstärker, deren Ausgänge auf einen gemeinsamen Lastwiderstand geschaltet sind. Die an dem gemeinsamen Lastwiderstand abfallende Spannung wird als Gegenkopplung auf jeden der drei

3) Verstärker zurückgeführt. Das hat zur Folge, daß der Ausfall des Verstärkers in einem Kanal die Gegenkopplungen der Verstärker in den anderen Kanälen so beeinflußt, daß das am Lastwiderstand abfallende Ausgangssignal im wesentlichen unverändert bleibt.

4Ί Auch bei dieser bekannten Anordnung sind somit die Kanäle über die Gegenkopplung miteinander verknüpft so daß das Signal in dem einen Kanal die Signale in den beiden anderen Kanälen beeinflußt.

Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art bekannt, bei welcher die drei Kanäle über je einen 'Verstärker und je einen nichtlinearen Zweipol auf einen gemeinsamen Lastwiderstand geschaltet sind. Der nichtlineare Zweipol ist dabei so ausgebildet, daß er bis zu einem bestimmten

3ii Grenzwert einen im wesentlichen konstanten Widerstand besitzt, der Strom also mit der daran anliegenden Spannung ansteigt, während dann eine Sättigung eintritt und der Strom über den nichtlinearen Widerstand unabhängig von der daran anliegenden Spannung

Vi konstant bleibt. Eine solche Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß bei Ausfall eines Kanals am Ausgang ein Spannungssprung auftreten würde. Solche Sprünge der Steuersignale sind bei Reglern höchst unerwünscht, da sie das System zu Schwingungen anregen können. Das

h'i gilt insbesondere für Flugregler. Bei der bekannten Anordnung ist daher ebenfalls wieder eine Gegenkopplung von dem gemeinsamen VefbindüngspUnkt aller drei Kanäle auf jeweils einen Verstärker in jedem der Kanäle vorgesehen.

h~t Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art zu schaffen, die sehr einfach aufgebaut sein kann, bei welcher insbesondere keine gegenseitige

Beeinflussung der verschiedenen Kanäle stattfindet, die aber andererseits gewährleistet, daß der Flugregler auch bei Ausfall eines Kanals stabil bleibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Wegfall von Rüclcführeingriffen in die Kanäle die Spannungsschwelle jedes der Zweipole

n-\

AU

beträgt und daß der Widerstand R jedes Zweipols w unterhalb der Spannungsschwelle einen endlichen Wert von

besitzt

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch geeignete Bemessung der Zweipole eine Schaltungsanordnung ohne gegenseitige Beeinflussung der Kanäle so ausgebildet werden kann, daß der Flugregler stabil bleibt Es gibt nämlich einen zulässigen Maximalwert von Signalsprüngen, welche die Stabilität des Flugreglers noch nicht beeinträchtigen. Bei geeign'-ter Bemessung der Zweipole kann der beim Ausfall eines Kanals maximal auftretende Signalsprung unter diesem Maximalwert gehalten werden.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 illustriert die verwendete Grundschaltung für π Eingangssignale;

Fig.2 zeigt die Kennlinie eines spannungsabhängigen Zweipols von Fig. I;

F i g. 3 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung für drei Eingangssignale und drei Ausgangssignale;

F i g. 4a bis 4c zeigen die Ausgangsspannungen an den drei Ausgängen von F i g. 3 in Abhängigkeit von der Abweichung der Eingangsspannung an einem der Eingänge;

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines spannungsabhängige^. Zweipols nach der Erfindung;

Fig.6 zeigt eine andere Ausführungsform eines spannungsabhängigen Zweipols, und

F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines spannungsabhängigen Zweipols.

Fig. 1 zeigt die verwendete Grundschaltung für η Eingangssignal. Bei dieser Schaltung werden die Eingangssignale Ui bis U_n über spezielle Zweipole Z/ bis Z_n auf einen gemeinsamen Ausgangspunkt A zusammengeführt. Damit die dargestellte Grundschaltung funktionsrichtig arbeitrt, müssen die Zweipole die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie besitzen. Die Kennlinie zeigt, daß die Zweipole spannungsabhängig sind. Bei einer am Zweipol anliegenden Spannung

U,<U₀
soll der Zweipolwiderstand

Bei einer am Zweipol anliegenden Spannung

soll hingegen der Strom durch den Zweipol auf den Wert

begrenzt sein.

Die Zweipolschaltung U₀ wird durch die zulässige Signalabweichung AU der Eingangsspannungen bestimmt. Für den Strom k gilt, daß er größer als der verlangte maximale Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung sein muß. Aus diesen Angaben errechnet sich der Widerstand

In F i g. 3 ist eine vollständige Schaltungsanordnung für drei Eingangs- bzw. Ausgangssignale U\, U₂, Uz bzw. Ua i, Ua2, Ua j dargestellt. In diesem Fall wird die unter F i g. 1 dargestellte Grundschaltung mit drei Eingängen E₁, Ei, E] versehen und dreimal verwendet, um drei Ausgänge Ai, A₂, A3 zu erhalten. In Fig.4a, 4b und 4c sind die drei Ausgangsspannungen U_A\, Ua 2, Ua 3 in Abhängigkeit von der Eingangsspannungsabweichung Δ {//dargestellt.

Festgelegt wurde, daß bis zur Signalabweichung AU die ZweiDole den Widerstand R besitzen. Aus dieser Bedingung ergibt sich Ua. Es ist unte- der Voraussetzung U;= U±ALK U₂= Ih= U

Für η Eingänge ergibt sich

AU

F i g. 4a bis 4c zeigen, daß die Ausgangssignale der Schaltungsanordnung bis zu einer Signalabweichung von A U identisch sind. Überschreitet die Signalabweichung den Wert AU am Eingang E\, dann werden die Ausgangssignale Uau Uai, Uaz von ihr nicht mehr beeinflußt. Die maximale Signalabweichung an den Ausgängen A\, A2, A^ aufgrund der Signalabweichung am Eingang £, beträgt A U/3.

Da die Schaltung bezüglich Eingang und zugehörigem Ausgang immer gleich aufgebaut ist, erhält man für die beiden anderen Eingänge die identischen Ergebnisse.

Die vorausgegangenen Betrachtungen wurden ohne Last durchgeführt. Der zulässige Laststrom beträgt maximal /o- Er bewirkt an den Ausgängen eine Ausgangssignalverschiebung um maximal 0,5 Uo.

Zur Realisierung der angegebenen Zweipole können herangezogen werden:

1. Kaltleiter

Ein Kaltleiter ist ein temperaturabhängiger Widerstand, der unterhalb der Curie-Temperatur sehr niederohmig ist und oberhalb der Curie-Temperatur einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt. Man kann den Widerstand eines Kaltleiters mit Hilfe des durch ihn fließenden Stromes verändern. Da die Widerstandsänderung auf dem Umweg über die Teiupüratur erfolgt, beeinflußt auch die Umgebungstemperatur den Knickpunkt der Kennlinie. Es empfiehlt sich daher, eine Stabilisierung der Umgebungstemperatur vorzunehmen. Um den Widerstand R des Zweipols definiert einstellen zu können, muß in Reihe zum Kaltleiter ein Abfleichwiderst&nd R.\ gelegt werden.

2. Schaltungsaiiordnungen mit
Feldeffekt transistoren

Mit einem symmetrischen Feldeffekttransistor fTI kann die in F i g. 5 dargestellte Schaltung realisiert werden, bei wehher jeder Widerstandszweig als spannungsabhängigen Zweipol einen symmetrischen Feldeffekttransistor mit einem Paar von vor- und

nachgeschalteten Widerständen Ri enthalt, dessen Basis über Dioden (D], Di) mit den freien Enden der Widerstände verbunden ist. und einen mit dieser Schaltung in Serie liegenden Ausgleichswiderstand R\ zur F.rzielung des Gesamtwiderstands R. Sie besit/i ebenfalls die erforderliche Kennlinie. Der niederohmigc Bereich wird hier im wesentlichen von den Eigenschaften des Feldeffekttransistors /¹Tl bestimmt. Zur Einstellung des erforderlichen Widerstandes R wird ebenfalls ein Abgleichwiderstand R.\ herangezogen. Die Einstellung der Strombegrenzung Λ> wird mit den Widerständen R/ durchgeführt. Vorteilhaft werden Feldeffekttransistoren mit niedrigem Bahnwiderstancl (rnscn) und kleiner »Pinch-OffK-Spannung verwendet.

Eine weitere Schaltung mit Feldeffekttransistoren zeigt Fig. 6, bei welcher jeder Widerstandszweig ein Paar von antiparallelgeschalteten Feldeffekttransistoren (FT2, FT3) enthält, wobei das Gitter jedes Feldeffekttransistors über einen Widerstand Rrm'w der !/»»!•»rJ.« J_n, nr*Ar**nr* *,n—\*ttriAt%n ι ■> * tt»^4 In Dnikn mit

l\aillU\Jt ULJ uiiut.i(,ii tt.iuiiiiui.ii i^t uiiu im i«t»iitv um dieser Schaltung ein Ausgleichswiderstand /?.₍ zur Erzielung des Gesamtwiderstandes R angeordnet ist. Hier wird der Strom /o mit den Widerständen Rr, der Widerstand R mit dem Widerstand Ra eingestellt.

3. Schaltungen mit Operationsverstärkern

Will man sehr genaue Werte für R und I_n erzeugen, dann empfiehlt sich die Verwendung von Vierpolschaltungen, deren Übertragungscharakteristik derjenigen der Zweipole entspricht. In diesen Schaltungen werden vorzugsweise Operationsverstärker eingesetzt. Ein Beispiel für eine solche Schaltung zeigt Fig. 7, bei welcher die Widerstands/weige je einen Operationsverstärker V enthalten, in dessen Ausgangskieis ein erster spannungsabhängiger Widerstand R₀ liegt, dessen Wert oberhalb der Spannungsschwcllc sehr groß wird, und

"' ein zweiter Widerstand Ra in der Gegenkopplung sowie einen mit der Verstärkerschaltung in Reihe liegenden Ausgleichswiderstand /?i zur Erzielung des Gesamt-Widerstandes R. In dieser Schaltung wird für die Strombegrenzung im wesentlichen die in F i g. 5

" dargestellte Schaltung mit Rf, FT\', D\ , D₂'. jedoch ohne den Abgleich widerstand R.\' verwendet.

F.s sind natürlich auch andere Schaltungsanordnungen zur Strombegrenzung bekannt, die hier verwendet weiden können. Voraussetzung ist, daß die Strombe-'"■ grenzung bipolar wirksam ist. Die Gegenkopplung des Verstärkers wird nach der Strombegrenzungsschaltung am Punkt ^abgegriffen und über den Gegenkopplungswiderstand Rc auf den Summenpunkt des Verstärkers geführt. Das Eingangssignal gelangt über den Eingangs-

" v/idersturiu /?~sbenfu!!s 2uf den Sumirisn^unkt. !nfo!^CTs der Gegenkopplung ist der Quellwiderstand an Punkt P, wenn der Verstärker auf seiner Kennlinie betrieben wird, sehr gering und kann vernachlässigt werden. Der Quellwiderstand an Punkt A der Anordnung wird dann

' nur vom Widerstand R bestimmt, der Punkt Pmit Punkt A verbindet. Der Widerstand kann damit entsprechend den Erfordernissen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gewählt werden und entspricht in der Regel dem 'Viderstand Rdes Zweipols.

χ· Zu erwähnen ist noch hierzu, daß die Beschallung des Operationsverstärkers weitgehend frei gewählt werden kann. Es können somit auch rpezielle Frequenzgänge realisiert werden.

Hier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zur redundanten Signalübertragung mit einem verlangten Ausgangsstrom In in π Kanälen bei einem Flugregler, dessen Stabilitätseigenschaften nur Signalsprünge von maximal Δ U zulassen, bei welcher die Eingangsspannungen über π Widerstandszweige auf einen gemeinsamen Lastwiderstand aufgeschaltet sind, an dem die Mittelwert-Ausgangsspannung abfällt, und bei welcher die Widerstandszweige mit Halbleitern aufgebaute, spannungsabhängige Zweipole enthalten, deren Widerstand oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird, dadurch gekennzeichnet,

daß bei Wegfall von Rückführeingriffen in die Kanäle die Spannungsschwelle jedes der Zweipole