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Elektronischer bi- oder multistabiler Schaltkreis
In manchen Fällen ist es wünschenswert bzw. notwendig, mechanische Schrittschaltwerke durch bedeutend rascher ansprechende und rascher schaltende elektronische, bi- oder multistabile Schaltkrei- se zu ersetzen. Solche Schaltkreise werden z. B. in bestimmten Regelsystemen, besonders in Digital-
Analog-Konvertern und Analog-Digital-Konvertern mit Magnetspeichem benötigt.
Ganz allgemein tritt jedoch bei der Funktionsnachbildung mechanischer Schrittschaltwerke durch elektronische digitale Schaltungen das Problem auf, den Zustand der Schaltung, der bei einem allfälli- gen Ausfall oder bei einer Abschaltung der Versorgungsspannung geherrscht hat, bei der Wiederkehr bzw.
Wiedereinschaltung der Spannung richtig reproduzieren zu können. Ohne diese Fähigkeit ist nämlich die praktische Verwendbarkeit von elektronischen digitalen Schaltkreisen an Stelle von mechanischen
Schrittschaltwerken, die ihre Ruhestellung von selbst beibehalten, sehr beschränkt.
Die Erfindung betrifft einen elektronischen bi-oder multistabilen Schaltkreis mit Wiederherstellung des im Zeitpunkt einer Abschaltung der Energiezufuhr vorhandenen Schaltzustandes nach Wiederherstellung der Energiezufuhr, bei dem mindestens ein magnetisierbares Element mit rechteckförmiger Hyste- reseschleife und mit zwei einander entgegenwirkenden Magnetisierungswicklungen vorgesehen ist, wobei wenigstens mit Hilfe einer der Magnetisierungswicklungen eine während des Einschaltstosses zur Einnahme des wiederherzustellenden Schaltzustandes beitragende Asymmetrie des Schaltkreises herstellbar ist.
Es ist bereits bekannt, bei einer Einrichtung an bistabilen Halbleiterkippschaltungen einen sättigbaren
Transformator vorzusehen, der je nach Schaltzustand der Halbleiterkippschaltung in den einen oder andern Sättigungszustand übergeführt wird und der auf Grund der Hysterese eine der jeweiligen Ruhelage entsprechende Unsymmetrie bei Netzspannungsausfällen aufrecht erhält und nach Spannungswiederkehr den ursprünglichen Betriebszustand wieder herstellt.
Bei dieser Einrichtung kann es sich ungünstig auswirken, dass die Induktion des Transformators in der Umgebung des Remanenzpunktes eine nur geringe Abhängigkeit von der Feldstärke aufweist und daher bei Wiedereinschalten zunächst nur eine verhältnismässig kleine Induktivität zur Schaffung der erforderlichen Unsymmetrie zur Verfügung steht.
Auch bei verschiedenen andern bekannten bistabilen Kippstufen, bei denen mit Hilfe von Magnetkernen der ursprüngliche Betriebszustand nach Spannungswiederkehr wieder hergestellt wird, erfahren die Magnetkerne beim Wiedereinschalten der Betriebsspannung unabhängig von ihrem Magnetisierungszustand zunächst eine nur geringe Induktionsänderung, wobei die gewünschte Unsymmetrie erst im weiteren Verlauf des Einschaltvorganges voll wirksam wird.
Gemäss der Erfindung lässt sich der im Zeitpunkt der Abschaltung vorhandene Schaltzustand bi- oder multistabiler Schaltkreise dadurch mit besonders grosser Sicherheit wieder herstellen, dass das magnetisierbare Element nur mit Hilfe einer der Magnetisierungswicklungen im gesamten Querschnitt sättigbar und mittels der andern Wicklung nur in einem Teil des Querschnittes magnetisierbar ist, und dass wenigstens die eine, zur vollständigen Sättigung vorgesehene Magnetisierungswicklung des magnetisierbaren Elementes zur fallweisen Herstellung der Asymmetrie vorgesehen ist.
Ein derartiger Schaltkreis hat den Vorteil, dass er beim Wiedereinschalten mit Sicherheit vom ersten Moment an in Richtung zu der vor dem Ausschalten der Betriebsspannung vorhandenen Lage hin übergeführt werden kann. Als magnetisierbare Elemente können Magnetkerne, Magnetringe od. dgl. vorgesehen
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werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der elektronische Schaltkreis derart ausgebildet, dass das magnetisierbare Element als Transfluxor ausgebildet ist, bei dem sich ein geschlossenes magneti- sches Joch an wenigstens einer Stelle in zwei Teiljoche aufteilt, und dass die eine Magnetisierungswick- lung als Blockierwicklung auf dem Joch und die andere Wicklung als Einstellwicklung auf einem der
Teiljoche angebracht ist. Durch diese Massnahmen ergibt sich der Vorteil, dass bei dem zur teilweisen
Magnetisierung des magnetisierbaren Elementes herangezogenen Strom keine besonderen Toleranzen eingehalten zu werden brauchen.
Es ist ferner zweckmässig, den elektronischen Schaltkreis derart auszubilden, dass die eine Magne- tisierungswicklung als Gegenkopplungsinduktivität, besonders in die Emitterleitungen von Transistoren bistabiler oder multistabiler Multivibratoren, geschaltet ist.
Weitere Details der Erfindung sind an Hand der angeschlossenen Zeichnungen im folgenden be- schrieben. Es zeigt die Fig. l der Zeichnungen eine typische rechteckförmige Hystereseschleife, wie sie z. B. bei sogenannten Transfluxoren auftritt, von denen einer schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines mit Transistoren bestückten Multivibrators mit nur einem Speicher- element, wogegen die Fig. 4 die gleiche Schaltung, jedoch mit zwei in Gegentakt geschalteten Spei- cherelementen darstellt. Schliesslich ist aus der Fig. 5 der Aufbau eines Multivibrators mit vier stabilen
Zuständen zu ersehen, dem vier Speicher in der erfindungsgemässen Art zugeordnet sind.
Die Fig. l der Zeichnungen zeigt die Hystereseschleife eines Ferrit-Magnetkernes, der für die Impulszählung bzw. -speicherung geeignet ist. Über die Feldstärke H ist die Induktion B aufgetragen, wobei die remanenten Induktionen +Br uns-bar nahezu so gross wie die bei Sättigung auftretenden Induktionswerte sind. Bei remanenter Magnetisierung ist die Änderung dB/dH der Induktion nach der Feldstärke minimal (dB/dH min), wogegen im entmagnetisierten Zustand, also bei kleinen Induktionswerten (BO), die Änderung dB/dH (B = 0) gleich ist der Tangente an die Neukurve N im Ursprung und wesentlich grösser ist als dB/dH min. Eine Spule mit einem Magnetkern, der sich im Zustand remanenter Magnetisierung befindet, weist daher eine wesentlich kleinere Induktivität auf als eine Spule, deren Magnetkern unmagnetisiert (B = 0) ist.
In Fig. 2 ist ein sogenannter Transfluxor dargestellt, der im erfindungsgemässen Zusammenhang bevorzugt als Speicher verwendet wird und in Abweichung von der üblichen Ausführung nur zwei Wicklungen besitzt. Sein Kern A ist ringförmig ausgebildet, wobei allerdings die Mittelachse der inneren zylindrischen Begrenzungsfläche des Ringes etwa nach links parallel verschoben ist gegenüber der Mittelachse seiner äusseren zylindrischen Begrenzungsfläche, so dass er links eine dünnste und rechts eine dickste Zone aufweist. Die dünnste Zone ist von einer sogenannten Blockierwicklung B umfasst ; die dickste Zone ist von einer kreisrunden Ausnehmung a durchbrochen, durch die die zweite als Einstellwicklung E dienende Wicklung hindurchgezogen ist, die den inneren der beiden durch die Ausnehmung a gebildeten Stege des Kernes A umschlingt.
Selbstverständlich könnte statt dessen der äussere Steg von der Einstellwicklung umschlungen sein, da es bei deren Anordnung lediglich darauf ankommt, dass mit ihrer Hilfe eine bereichsweise Änderung der Magnetisierung auf folgende Weise erzielt werden kann :
Wenn die Blockierwicklung B in der durch die Zeichen + und-angedeuteten Weise gespeist wird, so entsteht in dem das grosse Loch des Kernes A umschliessenden Ringteil die mit +Bj. bezeichnete remanente Magnetisierung und die Induktivität der Blockierwicklung B ist demnach relativ gering.
Wird danach die Einstellwicklung E in der in Fig. l mit + und-angedeuteten Weise vom Strom durchflossen, so ergibt sich eine remanente Magnetisierung-Br im inneren Kreis des Kernes A, die in der von der Einstellwicklung E umschlossenen Zone gegensinnig zu der von der Blokkierwicklung B hervorgerufenen Magnetisierung +Br verläuft, wodurch sich im Inneren der von der Blockierwicklung B umschlossenen Zone eine magnetisierungsfreie Zone (B = 0) ergibt, in der die durch die Neukurve N bestimmte, relativ grosse Änderung dB/dH der Induktion nach der Feldstärke wirksam ist, wodurch die Blockierwicklung B in diesem Zustand der Magnetisierung eine hohe Induktivität erhält.
Es lässt sich also die Wirkungsweise des Transfluxors kurz in der Weise beschreiben, dass die Blockierwicklung B dann eine grosse Induktivität aufweist, wenn eine zusätzliche Magnetisierung durch die Einstellwicklung E vorliegt, hingegen eine kleine Induktivität bei der angegebenen Magnetisierungstendenz aufweist, wenn die Magnetisierung ausschliesslich von ihr selbst verursacht ist.
Die Wiederherstellung von Schaltzuständen bi- oder multistabiler Schaltkreise nach einem Netzausfall gemäss der Erfindung mit Hilfe eines Transfluxors in oben beschriebener Schaltung beruht auf der
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Transfluxor einzustellen, in dessen Blockierwicklung Blockierstrom fliesst, der aber gross genug ist,
Transfluxoren einzustellen, deren zugehörige Transistoren gesperrt sind, so dass die Blockierwicklungen stromlos sind. Dieses Prinzip der kritischen Bemessung des Einstellstromes kann auch für die bistabilen
Elemente gemäss den Fig. 3 und 4 angewendet werden, während anderseits bei einer beabsichtigten dau- ernd asymmetrischen Bemessung der Schaltung eine Verringerung der Anzahl der verwendeten Trans- fluxoren ermöglicht wird.
Es können im Rahmen der Erfindung an Stelle von Transfluxoren auch alle andern Speicherelemente verwendet werden, die prinzipiell die Eigenschaft besitzen, dass sie ihren Speicherinhalt auch ohne Zufuhr von Speiseenergie behalten, z. B. die sogenannten ferroelektrischen Speicher, bei denen flache Einkristalle etwa aus Bariumtitanat mit reversibler Dielektrizitätskonstante erfindungsgemäss derart benutzt werden, dass sie bei jedem Schaltschritt umgepolt werden, ihrerseits aber einzelne Schaltglieder der elektronischen Kippkreise sinngemäss derart bedämpfen bzw. entdämpfen, dass variable SchaltungsAsymmetrien entstehen, die bei der Wiederkehr der Speisespannung die sichere Einnahme des zuletzt eingestellten Kippzustandes bewirken. Anderseits können hiezu auch Relaiseinrichtungen, z.
B. ein polarisiertes Relais verwendet werden, dessen Kontaktzunge symmetrisch und neutral eingestellt ist und der Asymmetrierung dienende Widerstände bzw. Kondensatoren usw. hinzuschaltet oder kurzschliesst, wobei pro Relais zwei Wicklungen vorgesehen sind, von denen jede im Stromkreis eines Transistors liegt, so dass die Relaiszunge je nach dem Kippzustand des Kreises umgelegt wird und in dieser Stellung verharrt, bis ein neuerliches Umkippen des Kreises bewirkt wird.
PATENTANSPRÜCHE : l. Elektronischer bi-oder multistabiler Schaltkreis mit Wiederherstellung des im Zeitpunkt einer Abschaltung der Energiezufuhr vorhandenen Schaltzustandes nach Wiederherstellung der Energiezufuhr, bei dem mindestens ein magnetisierbares Element mit rechteckförmiger Hystereseschleife und mit zwei einander entgegenwirkenden Magnetisierungswicklungen vorgesehen ist, wobei wenigstens mit Hilfe einer
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ten Querschnitt sättigbar und mittels der andern Wicklung nur in einem Teil des Querschnittes magnetisierbar ist, und dass wenigstens die eine, zur vollständigen Sättigung vorgesehene Magnetisierungswicklung des magnetisierbaren Elementes zur fallweisen Herstellung der Asymmetrie vorgesehen ist.
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Electronic bi- or multistable circuit
In some cases it is desirable or necessary to replace mechanical stepping mechanisms with electronic, bi- or multistable circuits that respond significantly more quickly and switch faster. Such circuits are e.g. B. in certain control systems, especially in digital
Analog converters and analog-digital converters with magnetic storage are required.
In general, however, when the function of mechanical stepping mechanisms is simulated by electronic digital circuits, the problem arises of the state of the circuit, which prevailed in the event of a possible failure or when the supply voltage was switched off, when it is restored or disconnected.
To be able to reproduce the power on again correctly. Indeed, without this capability is the practicality of electronic digital circuitry in place of mechanical ones
Stepper mechanisms that maintain their rest position by themselves, very limited.
The invention relates to an electronic bi-stable or multistable circuit with restoration of the switching state present at the time of switching off the energy supply after restoration of the energy supply, in which at least one magnetizable element with a rectangular hysteresis loop and with two opposing magnetization windings is provided, with at least one aid one of the magnetization windings an asymmetry of the circuit which contributes to the assumption of the switching state to be restored can be produced during the switch-on surge.
It is already known to have a saturable one in a device on bistable semiconductor trigger circuits
Provide a transformer which, depending on the switching state of the semiconductor flip-flop, is switched to one or the other saturation state and which, due to the hysteresis, maintains an asymmetry corresponding to the respective rest position in the event of mains voltage failures and restores the original operating state when the voltage returns.
With this device, it can have an unfavorable effect that the induction of the transformer in the vicinity of the remanence point has only a slight dependence on the field strength and therefore initially only a relatively small inductance is available to create the required asymmetry when switched on again.
Even with various other known bistable multivibrators, in which the original operating state is restored with the help of magnetic cores after voltage recovery, the magnetic cores initially experience only a slight change in induction when the operating voltage is switched on again, regardless of their magnetization state, with the desired asymmetry only in the further course of the switch-on process becomes fully effective.
According to the invention, the switching state of bi- or multistable circuits present at the time of disconnection can be restored with a particularly high degree of certainty that the magnetizable element can only be saturable with the aid of one of the magnetization windings in the entire cross section and with the other winding only in part of the cross section is magnetizable, and that at least one magnetization winding of the magnetizable element, which is provided for complete saturation, is provided for producing the asymmetry on a case-by-case basis.
Such a circuit has the advantage that when it is switched on again it can be transferred with certainty from the first moment in the direction of the position that was present before the operating voltage was switched off. Magnetic cores, magnetic rings or the like can be provided as magnetizable elements
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will.
In a further embodiment of the invention, the electronic circuit is designed in such a way that the magnetizable element is designed as a transfluxor in which a closed magnetic yoke is divided into two partial yokes at at least one point, and that one magnetization winding is used as a blocking winding on the Yoke and the other winding as a setting winding on one of the
Part yokes is attached. These measures have the advantage that for the partial
Magnetization of the magnetizable element used current no special tolerances need to be observed.
It is also expedient to design the electronic circuit in such a way that one magnetization winding is connected as a negative feedback inductance, especially in the emitter lines of transistors of bistable or multistable multivibrators.
Further details of the invention are described below with reference to the attached drawings. It shows Fig. 1 of the drawings, a typical rectangular hysteresis loop as z. B. occurs in so-called transfluxors, one of which is shown schematically in FIG.
FIG. 3 shows the structure of a multivibrator equipped with transistors with only one storage element, whereas FIG. 4 shows the same circuit, but with two storage elements connected in push-pull. Finally, FIG. 5 shows the structure of a multivibrator with four stable ones
To see states to which four memories are assigned in the manner according to the invention.
Fig. 1 of the drawings shows the hysteresis loop of a ferrite magnetic core which is suitable for pulse counting or storage. The induction B is plotted over the field strength H, with the remanent inductions + Br uns-bar being almost as large as the induction values that occur during saturation. In the case of remanent magnetization, the change dB / dH of the induction according to the field strength is minimal (dB / dH min), whereas in the demagnetized state, i.e. with low induction values (BO), the change dB / dH (B = 0) is equal to the tangent on the new curve N is at the origin and is significantly larger than dB / dH min. A coil with a magnetic core which is in the state of remanent magnetization therefore has a significantly lower inductance than a coil whose magnetic core is unmagnetized (B = 0).
In Fig. 2 a so-called transfluxor is shown, which is preferably used as a storage device in the context of the invention and, in deviation from the usual design, has only two windings. Its core A is ring-shaped, although the central axis of the inner cylindrical boundary surface of the ring is shifted approximately to the left parallel to the central axis of its outer cylindrical boundary surface, so that it has a thinnest zone on the left and a thickest zone on the right. The thinnest zone is surrounded by a so-called blocking winding B; the thickest zone is pierced by a circular recess a, through which the second winding serving as the setting winding E is pulled, which loops around the inner of the two webs of the core A formed by the recess a.
Of course, instead of this, the outer web could be wrapped around by the setting winding, since it is only important with their arrangement that they can be used to change the magnetization in certain areas in the following way:
If the blocking winding B is fed in the manner indicated by the + and - signs, the ring part that surrounds the large hole in the core A is marked with + Bj. designated remanent magnetization and the inductance of the blocking winding B is therefore relatively low.
If the current flows through the setting winding E in the manner indicated by + and - in FIG. 1, a remanent magnetization Br results in the inner circle of the core A, which in the zone enclosed by the setting winding E is opposite to that of the Blocking winding B caused magnetization + Br, which results in a magnetization-free zone (B = 0) inside the zone enclosed by blocking winding B, in which the relatively large change dB / dH of the induction according to the field strength, determined by the new curve N, is effective is, whereby the blocking winding B is given a high inductance in this state of magnetization.
The mode of operation of the transfluxor can thus be briefly described in such a way that the blocking winding B has a high inductance when there is additional magnetization by the setting winding E, but has a small inductance with the specified magnetization tendency when the magnetization is exclusively from it self-caused.
The restoration of switching states of bi- or multistable circuits after a power failure according to the invention with the aid of a transfluxor in the circuit described above is based on the
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Set Transfluxor, in whose blocking winding a blocking current flows, but which is big enough
Set transfluxors whose associated transistors are blocked so that the blocking windings are de-energized. This principle of the critical dimensioning of the setting current can also be used for the bistable
Elements according to FIGS. 3 and 4 can be used, while on the other hand, in the case of an intended permanently asymmetrical dimensioning of the circuit, a reduction in the number of transfluxors used is made possible.
In the context of the invention, instead of transfluxors, all other storage elements can be used which in principle have the property that they retain their storage contents even without the supply of feed energy, e.g. B. the so-called ferroelectric memory, in which flat single crystals, for example made of barium titanate with a reversible dielectric constant, are used according to the invention in such a way that they are reversed in polarity with each switching step, but in turn dampen or de-dampen individual switching elements of the electronic trigger circuits in such a way that variable circuit asymmetries arise when the supply voltage returns, the last set tilt state is safely assumed. On the other hand, relay devices such.
B. a polarized relay can be used, the contact tongue is set symmetrical and neutral and the asymmetrization serving resistors or capacitors etc. add or short-circuit, two windings are provided per relay, each of which is in the circuit of a transistor, so that the relay tongue depending on the tilted state of the circle is turned over and remains in this position until another tilting of the circle is caused.
PATENT CLAIMS: l. Electronic bi-stable or multistable circuit with restoration of the switching state present at the time of switching off the energy supply after restoration of the energy supply, in which at least one magnetizable element with a rectangular hysteresis loop and with two opposing magnetization windings is provided, with at least one
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th cross-section is saturable and magnetizable by means of the other winding only in a part of the cross-section, and that at least one magnetization winding of the magnetizable element intended for complete saturation is provided for producing the asymmetry in individual cases.