JPS5823762B2 - フエイルセ−フゾウフクカイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、フェイルセーフ増幅回路に関するものであ
る。

多数の制御システム例えば車両制御システムでは、フェ
イルセーフ動作をする増幅器のような部品が必要である
。

このようなシステム用の増幅器を設計する際に主として
考慮しなければならない一つのことは、増幅器フェイル
セーフである所定利得を持たせることである。

この発明によれば、高価なトランスなどを使用する従来
形のフェイルセーフ増幅器にくらべ、比較的安価で設計
し易いフェイルセーフ増幅回路が開示される。

この発明の主目的は、簡単で安価なフェイルセーフ増幅
回路を提供することである。

この発明は、広義には、第１入力端子および第２入力端
子を有する増幅器と、この増幅器の出力端子へ接続され
た第１端子、増幅器の第２入力端子へ接続された第２端
子および回路出力端子へ接続された第３端子を有する４
端子コンデンサと、この４端子コンデンサの第４端子と
動作電源の間に接続されたインピーダンス回路とを備え
るフェイルセーフ増幅回路、に在る。

以下、この発明の望ましい一実施例を、添附図面につい
て説明する。

従来形の演算増幅器は第１図に示されている。

回路入力端子２は増幅器６の第１入力端子４へ接続され
る。

増幅器６の出力端子８は、回路出力端子１０へ接続され
、かつ帰還インピーダンス１４を介して増幅器６の第２
入力端子１２へ接続される。

この第２入力端子１２は入力インピーダンス１６を介し
て大地へ接続される。

″演算増幅器の交流利得は下記の式で与えられる。

上式中、Ｚｆは増幅器の帰還インピーダンス１４であり
、かつＺｉｎは増幅器の入力インピーダンス１６である
。

このような増幅器にフェイルセーフである所定利得を持
たせるには、帰還インピーダンスおよび入力インピーダ
ンスの正常モード時またはもつともな故障モード時に回
路利得を一定値以下におさえる必要がある。

説明の都合上、増幅器の利得がどんな故障モード中にも
無限大に近づけない時、増幅器はフェイルセーフである
所定利得を持つと考えよう。

故障モード中もし増幅器の利得が１に近づくか或は増幅
器が直流飽和状態になるならば、これらは安全な故障モ
ードと考えられる。

従って、帰還インピーダンスおよび入力インピーダンス
の故障モードは解析する必要がある。

Ｚｆの故障モードは２種類あり、一方が短絡で他方が開
路である。

Ｚｆが短絡するならば、すなわちインピーダンス値が零
に等しくなるならば、増幅器の利得は安全な故障モード
である１に近づく、シかしながら、もしＺｆが開路する
ならば、すなわちインピーダンス値が無限大に近づくな
らば、増幅器の利得も無限大に近づく。

これは、明らかに安全でない動作状態である。

入力インピーダンスの故障モードにも開路と短路の両方
がある。

もしＺｉｎが開路するならば、利得は１に等しくなり、
これは明らかに安全な故障モードである。

しかしながら、Ｚｉｎが短絡するならば、増幅器の利得
は、明らかに安全でない動作状態である無限大に近づく
。

従って、第１図の回路がフェイルセーフである所定利得
を持つためには、Ｚｆはどんな状態においても開路しな
い素子であるか或は少なくともＺｆの開路が補償されな
ければならない。

また、Ｚ ｔ ｎ は短絡しない素子にするか、戊は
Ｚｉｎの短絡を補償する手段を設ける必要がある。

第２図はこの発明に係る、フェイルセーフ所定利得を有
する増幅回路を示し、帰還素子は開路しない形式のもの
であるか或はこのような素子の少なくとも開路が補償さ
へそして入力インピーダンスは短絡しない素子であるか
或はその短絡が少なくとも補償される。

４端子コンデンサは増幅器の帰還路に使用される。

機能的には、４端子コンデンサは、誘電体によって隔て
られかつマンドレルに巻かれた２枚の導電性はくを有す
る構成をしティる。

２枚の導電性はくの始めと終りが４つの端子となる。

回路入力端子１８は増幅器２２の第１入力端子２０へ接
続される。

増幅器２２の出力端子２４は４端子コンデンサ２８の第
１ 端子２６へ接続される。

４端子コンデンサ２８の第２端子は増幅器２２の第２入
力端子３２へ接続される。

４端子コンデンサ２８の第３端子３４は、回路出力端子
３６へ接続され、かつ直流バイアス抵抗４０を介して４
端子コンデンサ２８の第４端子３８へ接続される。

この第４端子３８は、更に、コンデンサ４２と抵抗４４
の直列回路であるインピーダンス回路を介して動作電源
＋Ｖへ接続される。

第２図のフェイルセーフ増幅回路の利得もまた下記の式
で表わされる。

第２図のフェイルセーフ増幅回路では、Ｚｆは下記の式
で表わされる。

上式中で、Ｒｆは抵抗４０、Ｃｆは４端子コンデンサ、
そしてＳはラプラス変換演算子である。

もしＲｆをインピーダンス１／ＳＣｆにくらべて大変大
きな値を有するものに選べば、その時には帰還インピー
ダンスは下記の式で表わせる。

フェイルセーフ増幅回路の入力インピーダンスは下記の
式で表わされる。

Ｚｉｎ＝Ｒｉｎ＋１／５Ｃｉｎ 上式中で、Ｒｌｎは抵抗４４、Ｃ１ｎはコンデンサ４２
、そしてＳはラプラス変換演算子である。

もしインピーダンス１／５Ｃ１ｎをＲｌｎにくらべて大
変大きな値を有するものに選べば、その時には入力イン
ピーダンスは下記の式で表わせる。

結局、第２図のフェイルセーフ増幅回路の利得は下記の
式で表わせる。

フェイルセーフ増幅回路の故障モニドは上式に従って解
析されない。

しかしながら、この解析を理解するに先立って、抵抗４
０および４４は、選んだそれぞれのインピーダンス値お
よびこれらの素子のどんな故障も安全でない態様で増幅
器の利得に影響しないことを示すために、種々考察され
る。

まず、抵抗４０すなわちＲｆの故障モードを考察しよう
。

もしＲｆが開路するならば、初めＲｆをインピーダンス
１／ＳＣｆにくらべて大変大きな値を有するものに選ん
だので、フェイルセーフ増幅回路の利得には殆んど影響
がない。

もしＲｆが短絡するならば、これはインピーダンス１／
ＳＣｆ を短絡することになり、そして増幅器の利得は
明らかに安全状態である１になる。

もし抵抗４４すなわちＲｌｎが短絡するならば、これは
フェイルセーフ増幅回路の利得に殆んど影響しな。

い。

その理由は、インピーダンス１／５Ｃ１ｎ をＲｌｎに
くらべて大変大きな値を持つように選んだからである。

もしＲｌｎが短絡するならば、入力インピーダンスＺｉ
ｏは利得を１に近づけ、これもまた安全状態である。

上記の利得式を、今や、ＣｆおよびＣ１ｎの故障モード
について解析しよう。

周知のように、短絡したコンデンサは無限大のキャパシ
タンスを有し、インピーダンスは零になる。

逆に、開路したコンデンサは、キャパシタンスが零でイ
ンピーダンス。

が無限大である。

現在では、故障発生率が大変低い高信頼度コンデンサが
市場に出回っている。

すなわち、このようなコンデンサが短絡したり開路した
りする機会は無視できる。

そのようなコンデンサは、例えばマイラー形のもの或は
ガラス絶縁構成のものである。

後者の形式のコンデンサは、安定性および信頼性につい
て顕著な性能を発揮するガラス誘電体部分および導体部
分から成る溶着（ｆｕｓｅｄ）モノリシック構造である
。

従って、この発明を実施する際には、そのようなコンデ
ンサを使うことをおす＼めする。

これに伴ない、もしＣ１ｏが開路するならば、そのイン
ピーダンスは無限大になって増幅器の利得を１に等しく
させる。

これは明らかに安全状態である。

上述したように、モジコンデンサをマイラーで作るか或
は絶縁ガラス構成などにするならば、コンデンサが短絡
する機会は殆んど無い。

しかし、Ｃ１ｎが短絡した場合には、増幅器の利得が無
限大に近づかないように何等かの補償手段が必要である
。

この状態は、Ｃ１ｎを動作電源＋Ｖへ抵抗４４を介して
結合することにより、補償される。

もしＣ１ｎが短絡するなば、動作電圧＋■は増幅器２２
の第２入力端子３２へ直接カ偽って増幅器２２は直流飽
和状態へ駆動されるので、増幅器２２はどんな交流信号
入力にも応答しない。

従って、上述したようにＣ１ｎまたはＲｌｏのどんな故
障に対しても、増幅器は無限大の利得に近づかない。

もしＣｆが短絡してそのインピーダンスが零に等しくな
るならば、増幅器の利得は１に等しくなり、これは明ら
かに安全状態である。

他方、もしＣｆが開路するならば、増幅器の利得は、明
らかに安全でない状態である無限大に近づく。

コンデンサは上述したような構成であるので、その物理
的な開路は殆んど機会がない。

存在し得るたいていのもつともな開路故障状態は、４端
子コンデンサの４個の端子へ接続されたどれかのリード
線が切れ、帰還路中に開路状態を生じさせることである
。

もし第１端子２６または第３端子３４へ接続されたリー
ド線が断線するならば、帰還路は開略し、その結果増幅
器２２は出力端子２４に無限大の利得を呈する。

しかしながら、第１端子２６または第３端子３４のどち
らかに開路状態が存在するので、回路出力端子３６には
信号が生ぜず、これは安全な動作状態である。

その理由は、回路出力端子３６へ接続された負荷回路（
図示しない）がもはや入力信号を受けないからである。

もし第２端子３０へ接続されたリード線が断線するなら
ば、直流バイアスがか＼らず、増幅器は直流飽和状態に
なるので交流信号入力には応答しない。

これは安全状態である。

もし第４端子３８へ接続されたリード線が断線するなら
ば、これは下記の状態と同一形式の状態になる。

すなわち、もしインピーダンス回路中の成る素子が開路
するならば、増幅器の利得は明らかに安全状態である１
になる。

以上の説明から明らかなように、こ＼に開示した増幅回
路は、入力回路網または帰還回路網中のどの素子の故障
も増幅器を直流飽和状態すなわち利得１にするか、或は
信号が回路出力端子へ印加されない点で、フェイルセー
フ所定利得を有することが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術で周知の演算増幅器の回路図、第２図
はこの発明の一実施例の回路図である。 ２０は増幅器の第１入力端子、２２は増幅器、２４は増
幅器の出力端子、２６は４端子コンデンサの第１端子、
２８は４端子コンデンサ、３０は４端子コンデンサの第
２端子、３２は増幅器の第２入力端子、３４は４端子コ
ンデンサの第３端子、３６は回路出力端子、３８は４端
子コンデンサの第４端子、４２はコンデ７す、４４は抵
抗、＋Ｖは動作電源である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 人力信号が印加される回路入力端子と、回路出力端
   子と、 動作電源と、 前記回路入力端子へ接続された非反転第１入力端子、反
   転第２入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と
   、 この演算増幅器の出力端子へ接続された第１端子、前記
   演算増幅器の反転第２入力端子へ接続された第２端子、
   前記回路出力端子へ接続された第３端子、および第４端
   子を有する４端子コンデンサと、 この４端子コンデンサの第４端子と前記動作電源との間
   に直列接続された２端子コンデンサおよび第１抵抗と、 前記４端子コンデンサの第３端子と第４端子の間に接続
   された第２抵抗と、 を備え、 前記４端子コンデンサの第１端子および第３端子はその
   第１電極へ接続されそして第２端子および第４端子は前
   記４端子コンデンサの第２電極へ接続され、 所定レベルを超えない利得のフェイルセーフ出力を有す
   る増幅回路。