DE1057169B

DE1057169B - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen

Info

Publication number: DE1057169B
Application number: DEI11076A
Authority: DE
Inventors: Desmond Sydney Ridler; Robert Grimmond
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1954-12-31
Filing date: 1955-12-23
Publication date: 1959-05-14
Also published as: JPS324380B1; FR73322E; GB791905A; US2939019A; BE544067A; CH352389A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen oder Impulsfolgen mit konstanter, weitgehend belastungsunabhängiger Stromamplitude mit Hilfe von ferromagnetischen Kernen mit im wesentlichen rechteckiger Hystereseschleife. Derartige Kerne werden allgemein für Speichermatrizen in elektronischen Rechenmaschinen und in der elektronischen Schalttechnik verwendet. Zur Steuerung solcher Matrizen oder Schaltelemente werden Stromimpulse konstanter Amplitude benötigt.

Es ist bereits bekannt, mit Hilfe solcher ferromagnetischer Kerne Spannungs- bzw. Stromimpulse mit konstanter Amplitude zu erzeugen. Der Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde, solche Einzelimpulse und Impulsfolgen zu erzeugen, deren konstante Stromamplitude im wesentlichen unabhängig von der Größe der Belastungswiderstandes ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe von mehrere Wicklungen tragenden ferromagnetischen Kernen, die eine im wesentlichen rechteckige Hystereseschleife und einen bestimmten, der einen Magnetisierungsrichtung entsprechenden Remanenzzustand aufweisen und die durch eine an eine Primärwicklung gelegte Spannung geeigneter Polarität und Amplitude in den der anderen Magnetisierungseinrichtung entsprechenden Sättigungsbereich steuerbar sind, dadurch gelöst, daß zwei Kerne mit in Serie geschalteten Primärwicklungen so bemessen sind, daß bei dem ersten Kern die Magnetisierung, die nötig ist, um den Kern aus seinem Remanenzzustand in den vertikalen Ast der Hystereseschleife zu steuern, kleiner ist als bei dem zweiten Kern, daß der Sättigungsfluß bei einem der Kerne größer ist als bei dem anderen, und daß der erste Kern eine Sekundärwicklung mit angeschlossenem Lastwiderstand besitzt, so daß in diesem Lastkreis als Folge einer an den Primärkreis angelegten Spannung, die nur den ersten Kern in den Sättigungsbereich steuert, ein Impuls mit konstanter Stromamplitude auftritt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine idealisierte Hystereseschleife eines ferromagnetischen Kernes mit einer rechteckförmigen Schleife; dabei ist der magnetische Fluß Φ über dem Magnetisierungsstrom / aufgetragen;

Fig. 2 zeigt in idealisierter Form den in einer Spule fließenden Strom, wenn der Kern eine Hystereseschleife gemäß Fig. 1 aufweist; die zugehörige Schaltungsanordnung ist ebenfalls dargestellt;

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Fig. 2 und den Stromverlauf in einem Lastkreis; in

Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt, während

Schaltungsanordnung
zur Erzeugung von Impulsen

Anmelder:
International
Standard Electric Corporation,
New York, N.Y. (V.St.A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 31. Dezember 1954

Desmond Sydney Ridler und Robert Grimm ond,
London,

sind als Erfinder genannt worden

Fig. 5 zeigt, wie sich der Laststrom in Abhängigkeit von dem Lastwiderstand ändert;

Fig. 6 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von drei aufeinanderfolgenden Impulsen, während in

Fig. 7 der Verlauf der Ströme in den Primär- bzw. Sekundärwicklungen der Anordnung nach Fig. 6 dargestellt ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll der Magnetisierungszustand eines ferromagnetischen Kernes in der Weise bezeichnet werden, daß es von einer Null-Linie ausgehend eine positive und eine negative Magnetisierungsrichtung gibt. Anfänglich soll sich dabei, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, der Kern im negativen Remanenzpunkt befinden, d. h. in dem Punkt, der durch — Φ% bezeichnet ist, d. h. in diesem Zustand ist der Kern negativ magnetisiert, aber nicht gesättigt.

Der Zustand des Kernes kann nun von der negativen Remanenz — Φ_κ aus in die positive Sättigung 4-Φ₃ durch Anlegen einer Spannung geeigneter Polarität und Amplitude an die Steuerwicklung des Kernes geändert werden. Im Idealfall gemäß Fig. 1 steigt der Strom in der Wicklung nahezu augenblicklich an, bis der erste Knick der Hystereseschleife erreicht ist, dann bleibt der in der Wicklung fließende Strom konstant, während sich die Magnetisierung des Kernes entlang des senkrechten Teiles der Schleife bis zum zweiten Knick ändert. Dann steigt der Strom weiter an und kann theoretisch unendlich groß werden.

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Das Strom-Zeit-Diagramm der in Fig, 2 dargestellten Schaltung zeigt dies deutlich. In dieser Schaltung ändert sich der magnetische Fluß im Kernmaterial während der Periode des konstanten Stromes, obwohl der Strom in der Wicklung fur die Zeit konstant bleibt, während der der Kern die Hystereseschreife vom unteren Knick bis zum oberen Knick durchläuft. Der Strom bleibt also konstant, während die Magnetisierung des Kernes sich von dem unteren Knick zum oberen Knick entlang des vertikalen Teiles der Schleife verändert, da sich während dieser Zeit die Schleifenpermeabilität des Kernmaterials von einem sehr geringen, Wert beim Remanenzpunkt zu einem sehr hohen Wert hin verändert. Die Dauer des konstanten Stromes ist dabei gegeben durch

_ίβ «(««±Mio-.aec.

Dabei bedeutet η die Anzahl der Windungen der Steuerwicklung, Φ_κ ist der Remanenzfluß, Φ₅ der Sättigungsfluß und V ist die an der Wicklung liegende Spannung.

Das heißt also, daß dann, wenn die angelegte Spannung verschwindet, ehe die Sättigung des Kernes erreicht ist, der Kern unmittelbar in die negative Remanenz zurückgeht, so daß für die Dauer der an der Wicklung angelegten Spannung ein Strom konstanter Amplitude fließt.

Wird nun, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Sekundärwicklung auf dem Kern angebracht, so arbeitet die Anordnung als Übertrager, und es wird eine EMK in der Sekundärwicklung, die mit einer Last 4 verbunden sein kann, induziert. Diese EMK tritt nur auf, wenn sich der Fluß im Kern ändert, d. h. nur während der Übergangsperiode vom unteren Knick zum oberen Knick der Schleife. Wie man aus Fig. 1 sieht, ist die Flußänderung vor dem unteren Knick und nach dem oberen Knick praktisch vernachlässigbar. Jeder im Lastkreis fließende Strom erscheint daher als zusätzlicher Strom in der Primärwicklung, wobei die Größe dieses zusätzlichen Primärstromes vom Windungsverhältnis der Primär- zur Sekundärwicklung abhängt.

Wird nun die steuernde Spannung wieder vor Erreichen der Sättigung des Kernes beendet, so geht der Kern wieder in die negative Remanenz über, so daß in der Sekundärwicklung ein Stromimpuls auftritt, dessen Länge gleich der Dauer der Primärspannung ist.

In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung liegt eine zusätzliche Wicklung 5 in Reihe mit einer Batterie und einem Schalter 6. Wird der Schalter 6 geschlossen, so fließt ein Strom durch die Wicklung in einersolchen Richtung, daß der Kern in seine negative Magnetisierung zurückgeführt wird. Ist also der Schalter 6 offen, dann bleibt der Kern bei der negativen Remanenz — Φ%. Eine gleichartige Wicklung 5 und Schalter 6 sind in der Fig. 3 dargestellt. Man benötigt selbstverständlich keine Vorrichtung, um die Schaltung wieder in die negative Remanenz zurückzuführen, wenn der Kern nicht bis in die Sättigung gebracht wird. Diese Schalter und Batterieanordnungen zur Rückstellung der Kerne sowie die Schalter und Batterien zur Erzeugung des Überganges von — Φn nach +Φ$ sind normalerweise elektronische Schalter, sind jedoch zur Vereinfachung als gewöhnliche Schalter und Batterien dargestellt.

Beim Übergang eines Kernes vom positiven Magnetisierungszustand in den ursprünglichen negativen Magnetisierungzustand wird der linke vertikale Teil der Hystereseschleife durchlaufen, und zwar zwischen den beiden anderen Knickstellen der Kurve, so daß

wiederum ein Strom konstanter Amplitude in der Wicklung fließt, an der die Rückstellspannung angelegt wird. Diese zweite Periode mit konstantem Strom kann von Nutzen sein. Ist dieser Stromimpuls jedoch unerwünscht, so kann er durch einen Gleichrichter 7 (Fig. 3) unterdrückt werden.

Man kann den Kern beispielsweise auch dadurch zurückstellen, daß man in der ursprünglichen Primärwicklung einen Strom in der entgegengesetzten Richtung fließen läßt, der einen Übergang von dem Sättigungsfluß Φ₃ zum Remanenzfluß — Φ_κ ergibt.

Erfindungsgemäß kann die Größe des Laststromes durch Begrenzung des Stromes in der Primärwicklung des Kernes ebenfalls begrenzt werden. Man kann zu diesem Zweck einen zweiten Kern mit einer rechteckigen Hystereseschleife verwenden, auf dem eine Wicklung aufgebracht ist, die mit der Primärwicklung des ersten Kernes in Reihe geschaltet ist. Dies ist in Fig. 4 dargestellt, wo der zweite Kern mit 8 und der erste Kern mit 9 bezeichnet ist. Dabei wird die Anordnung so ausgelegt, daß die Flußänderung im zweiten Kern bei einem Strom auftritt, der zumindest so groß ist wie der, der die Sättigung des ersten Kernes hervorruft. Das kann man beispielsweise dadurch erreichen, daß man den magnetischen Weg des zweiten Kernes, verglichen mit dem ersten, verlängert, oder dadurch, daß man dem zweiten Kern weniger Windungen gibt, so daß der zweite Kern bei einem höheren Strom gesättigt wird als der erste. Weiterhin kann die Zeit, die der zweite Kern zum Übergang von einer Polarität des magnetischen Flusses zur anderen benötigt, verhältnismäßig lang gemacht werden, und zwar dadurch, daß der Querschnitt des Kernes vergrößert wird.

Angenommen, daß der Kern 8 bei einem Stromwert umkippt, der dem Sättigungsstromwert des Kernes 9 ungefähr entspricht, und daß die Umkippzeit des Kernes 8 länger ist, daß weiterhin der Flußübergang bei einem Strom J₁ in der Primärwicklung des ersten Kernes 9 und bei einem Strom I₂ in der Wicklung des zweiten Kernes 8 stattfindet, und daß weiterhin das Windungsverhältnis von Primär- zu Sekundärwicklung des ersten KernesiVjrW₂ ist, dann arbeitet die Schaltung wie folgt: Liegt eine Spannung an den beiden Kernen, dann ist der Maximalstrom in der Primärwicklung des ersten Kernes I₂, gleichgültig, wie groß die Last ist, da der Strom durch den zweiten Kern auf einen konstanten Wert begrenzt ist, ehe der erste die Sättigung erreicht. In diesem Falle müssen beide Kerne in ihren ursprünglichen Zustand, den der negativen Remanenz, nach jeder Betätigung zurückgebracht werden, beispielsweise durch eine Rückstellwicklung auf jedem Kern, wie sie etwa in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, oder aber durch einen Strom umgekehrter Richtung durch die in Reihe geschalteten Wicklungen der Kerne 8 und 9. Diese Rücksteileinrichtungen sind in der Schaltung nach Fig. 4 nicht besonders dargestellt. Nimmt man ferner an, daß die an den Kernen 8 und 9 anliegende Spannung weggenommen wird, bevor der zweite Kern seine Sättigung erreicht hat, so entsteht in der Sekundärwicklung des Kernes 9 ein Stromimpuls, dessen Dauer von der Kennlinie des Kernes 9 abhängt, und der für einen weiten Bereich von Lastwiderständen eine konstante Amplitude besitzt. Die Beziehung zwischen der Größe des Lastwiderstandes und dem Laststrom ist in Fig. 2 dargestellt, und man sieht, daß dann, wenn der Lastwiderstand einen gegebenen Wert überschreitet, der Strom zu fallen beginnt. Man kann daher die Anordnung gemäß Fig. 4 mit der Kennlinie nach. Fig. 5 zur

Claims

I 057 169 Erzeugung eines Impulses kurzer Dauer und definierter Amplitude aus einem längeren Steuerimpuls verwenden. Man müßte daher die-Schaltung so einrichten, daß der erste Kern den vertikalen Teil der Schleife bei einem Stromwert durchläuft, bei dem der Sekundärstrom die gewünschte Amplitude aufweist, und daß die vertikale Durchlaufzeit des ersten Kernes die gewünschte Impulsdauer ergibt. Der zweite Kern erreicht seine Sättigung bei einem Stromwert, der gleich oder größer als der für den ersten Kern ist, während die Zeit, die zum Durchlaufen des vertikalen Teiles der Schleife benötigt wird, die Dauer der Steuerimpulse überschreitet. Die Anordnung nach Fig. 6 stellt nun eine Erweiterung der Anordnung gemäß Fig. 4 dar, mit deren Hilfe die Erzeugung einer Reihe von gestaffelten Impulsen möglich ist. Solche Impulsserien werden benötigt, um verschiedene Abwandlungen von Schieberegistern oder Zähleinrichtungen zu betätigen. Derartige Impulse können beispielsweise durch eine Reihe von Kernen 10, 11,12 erzeugt werden, deren Primärwicklungen in Reihe geschaltet sind. Die Sekundärwicklungen sind voneinander getrennt mit den einzelnen Lastkreisen verbunden. Diese getrennten Kerne kippen nun bei jeweils höheren Stromwerten über und benötigen wachsend längere Zeit für diesen Vorgang. Man kann daher durch geeignete Bemessung der Kerne und der auf ihnen befindlichen Wicklungen dem Strom im Primärkreis eine Form geben, wie sie im oberen Teil der Fig. 7 dargestellt ist. Die gestrichelten Linien zeigen den Leerlaufzustand an, während die ausgezogenen Linien die Ströme angeben, die bei den entsprechenden, sekundärseitig angeschlossenen Lastkreisen fließen. Wenn nun die Kerne in der Reihenfolge IOj 11,12 gesättigt werden, dann hört der Strom in der Sekundärwicklung des Kernes 10 auf, wenn dieser Kern gesättigt wird, da durch diese Sättigung auch die Flußänderung im Kern beendigt wird. Der Kern 11 ist nun so ausgebildet, daß sein Übergang entlang des vertikalen Teiles der Schleife dann beginnt, wenn der Kern 10 gesättigt ist, und daß die Flußänderung während des Überganges die Erzeugung eines zweiten Impulses zur Folge hat, der mit der Sättigung des Kernes 11 endet. Der Ausgangsimpuls von der Sekundärwicklung des Kernes 12 wird in gleicher Weise erzeugt. Selbstverständlich muß irgendeine den Strom begrenzende Einrichtung, beispielsweise ein Kern mit einer Wicklung wie der Kern 8 in Fig. 4 in Reihe mit den Kernen 10,11 und 12 in Fig. 6 geschaltet werden. Weiterhin müssen für die Kerne in Fig. 6 Rückstelleinrichtungen vorgesehen werden, wie sie bereits beschrieben wurden. Diese sind jedoch der Einfachheit halber in Fig. 6 nicht dargestellt. Man sieht aus der Fig. 7, daß der Strom im Primärkreis der Kerne 10,11 und 12 stufenförmig verläuft. Soll ein derartiger stufenförmiger Strom erzeugt werden, so läßt sich das dadurch erreichen, daß an den Primärkreis ein Ausgangskreis angeschlossen wird. Man kann auch bei der Anordnung gemäß Fig. 6 eine Anzahl Kerne verwenden, deren Übergangszeit entlang dem Vertikalteil ihrer Hystereseschleife beim gleichen Stromwert im Primärkreis beginnt, bei denen dieser Übergang jedoch verschieden lang dauert. Dann lassen sich in den entsprechenden Ausgangskreisen Impulse abnehmen, die alle zum gleichen Zeitpunkt beginnen, jedoch zu verschiedenen Zeitpunkten aufhören. In den beschriebenen Schaltungen, bei denen Sekundärwicklungen verwendet werden, kann ein Kern mit seinen Wicklungen als Schalter betrachtet werden, der einen Ausgangskreis für eine definierte Periode mit der Sekundärwicklung einer Stromquelle verbindet, während der ein Strom im Ausgangskreis fließt. In ähnlicher Weise können : mehrere wie in Fig. 6 geschaltete Kerne als Verteiler angesehen werden, der —eine Stromquelle und verschiedene Ausgangskreise ίο einzeln nacheinander für bestimmte Perioden miteinander verbindet. Selbstverständlich sind die in den Figuren dargestellten Wellenformen idealisiert und weichen in der Praxis in dem Maß von der Idealform ab, wie die Hystereseschleife des Kernmaterials von der idealen Rechteckform abweicht. Die Erfindung wurde zwar an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dies stellt jedoch keine Beschränkung ihres Wesens und ihrer Anwendbarkeit dar. Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen oder Impulsfolgen mit konstanter, weitgehend belastungsunabhängiger Stromamplitude mit Hilfe von mehrere Wicklungen tragenden, ferromagnetischen Kernen, die eine im wesentlichen rechteckige Hystereseschleife aufweisen, bei der die Kerne einen bestimmten, der einen Magnetisierungsrichtung entsprechenden Remanenzzustand aufweisen und durch eine an eine Primärwicklung gelegte Spannung geeigneter Polarität und Amplitude in den der anderen Magnetisierungsrichtung entsprechenden Sättigungsbereich steuerbar sind, gekennzeichnet durch zwei Kerne mit in Serie geschalteten Primärwicklungen mit einer derartigen Bemessung, daß bei dem ersten Kern (9) die Magnetisierung, die nötig ist, um den Kern aus seinem Remanenzzustand in den vertikalen Ast der Hystereseschleife zu steuern, kleiner ist als bei dem zweiten Kern (8) und daß der Sättigungsfluß bei einem der Kerne größer ist als beim anderen und daß der erste Kern (9) eine Sekundärwicklung mit angeschlossenem Lastwiderstand besitzt, so daß in diesem Lastkreis als Folge einer an den Primärkreis angelegten Spannung, die nur den ersten Kern (9) in den Sättigungsbereich steuert, ein Impuls mit konstanter Stromamplitude auftritt.

2. Impulserzeuger unter Verwendung von mehreren Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1, bei denen der Sättigungsfluß des jeweils ersten Kernes, also desjenigen, der die Sekundärwicklung mit Lastwiderstand trägt, kleiner als der des jeweils anderen Kernes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen der Kernpaare in Serie geschaltet sind, daß der Übergang vom Remanenzzustand in den Sättigungsbereich bei den jeweils ersten Kernen bei nacheinander höheren Werten des Primärstromes beginnt, so daß die in den Lastkreisen auftretenden Ströme eine Reihe zeitlich gestaffelter Impulse ergeben, wobei jeder Impuls für die Dauer des Überganges des betreffenden ersten Kernes andauert.

3. Impulserzeuger unter Verwendung von mehreren Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1, bei denen der Sättigungsfluß des jeweils ersten Kernes, also desjenigen, der die Sekundärwicklung mit Lastwiderstand trägt, kleiner als der des jeweils anderen Kernes ist, dadurch gekennzeichnet,