DE1068488B - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Binärzähler, Frequenzteiler und ähnliche Anordnungen, in denen Magnetkerne mit rechteckförmiger Hysteresisschleife verwendet werden, die im folgenden kurz als »Kerne mit Rechteckcharakteristik« bezeichnet sind.

Solche Kerne werden heute allgemein angewendet in Zählern, Frequenzteilern und überhaupt in elektronischen Rechenmaschinen. Diese ferromagnetischen Kerne sind so entwickelt und aufgebaut, daß ihre Hysteresisschleife nahezu rechteckförmig ist. Wird ein solcher Kern in einer Richtung bis zur Sättigung magnetisiert, so verbleibt er in dieser Remanenzlage. Wird er dann in der anderen Richtung magnetisiert, so wechselt er mehr oder weniger scharf in die andere Remanenzlage über. Mit anderen Worten, der Magnetkern ist ein bistabiles Element mit zwei stabilen Remanenzlagen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen und Kurven dargestellt und erklärt.

Fig. 1 zeigt eine bekannte binäre Schaltungseinheit aus zwei Magnetkernen mit Rechteckcharakteristik; Fig. 2 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 3, 4 und 5 zeigen mehrere Koppelelemente, die an Stelle der offenen Leitung in Fig. 2 verwendet werden können.

Fig. 6 zeigt die Wirkungsweise an Hand eines Impulsdiagramms.

In den Fig. 1 bis 5 ist der Wicklungssinn der Spulen in der üblichen Weise durch Punkte gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt eine bekannte binäre Schaltungseinheit. Sie besteht aus den Kernen mit Rechteckcharakteristik A und B. Jeder trägt drei Wicklungen A1, A 2, A3 bzw. Bl, B2, B3. Den in Reihe geschalteten Wicklungen Al und Bl werden über die Klemmen/P Zählimpulse zugeführt. Die Wicklung A 2 ist mit Wicklung B 3 über ein Koppelglied verbunden, welches im Längszweig eine Diode Dl und einen Widerstand R1 und im Querzweig einen Kondensator K1 enthält. Die Wicklung B 2 ist über ein gleiches Koppelglied aus den entsprechenden Elementen D2, 2?2, K2 mit der Wicklung^ 3 verbunden.

Es sei angenommen, daß mit Hilfe von nicht gezeichneten Rückstellwicklungen oder durch geeignete Schaltmaßnahmen an den dargestellten Wicklungen einer der Kerne, z. B. der Kern A, in seine eine Remanenzlage gebracht sei, welche hier mit Zustand 1 bezeichnet werde (entspricht einem Fluß im Kern im Uhrzeigersinn) und sich Kern B in der anderen Remanenzlage befinde, welche mit Zustand 0 bezeichnet werde (entspricht einem Fluß im Kern im entgegengesetzten Uhrzeigersinn). Gelangt jetzt ein Zählimpuls an die Eingangsklemmen IP und hat er eine solche. Polarität, daß er den Kern A vom Zustand 1 Binäre Zähl- oder Frequenzteiler-Anordnung

Anmelder:

Marconi's Wireless

Telegraph Company Limited,

London

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 28. Februar und 26. September 1957

Eric Douglas McConnell

und William James Rowley Clark,

Gt. Baddow, Essex (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

in den Zustand 0 treibt, dann wechselt dieser Kern durch den Stromfluß in Wicklung Al in seine andere stabile Lage über. Kern B dagegen ändert trotz des Stromes in Wicklung B1 seine Remanenzlage nicht, da er sich bereits im Zustand 0 befindet. Wenn Kern ^i von »1« nach »0« wechselt, entsteht in seiner Wicklung A 2 ein Ausgangsimpuls, welcher den Kondensator K1 über die Diode D1 auflädt. Dabei dient Kondensator K1 als Speicherelement. Die Diode D1 hat dabei die Aufgabe, ein Entladen des Kondensators Kl über die Wicklung A2 zu verhindern, nachdem der Impuls abgeklungen ist. Außerdem hat sie eine Aufladung des Kondensators zu verhindern, wenn Kern A vom Zustand 0 in den Zustand 1 ummagnetisiert wird. Nach Abklingen des Zählimpulses entlädt sich der Speicherkondensator Kl über die Wicklung 53 und schaltet damit den Bern B vom Zustand 0 in Zustand 1. Entsprechend der beschriebenen Funktionsweise wird beim nächsten Zählimpuls Kern B wieder in den Zustand 0 und Kern A über das Koppelglied D2-K2-R2 in den Zustand 1 gebracht, d.h., jeder folgende Eingangszählimpuls ändert den magnetischen Zustand der beiden Kerne. Ausgangsimpulse mit der halben Folgefrequenz der Zählimpulse können von den Wicklungen A 2, B 2 oder von einer nicht gezeichneten Hilfswicklung auf einem der beiden Kerne abgegriffen werden. Diese beschriebene Anordnung ist allgemein bekannt, und

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es ist zu ersehen, daß ein Koppelglied aus Diode, den Kerne abgenommen werden, z. B. mit Hilfe einer

Speicherkondensator und Widerstand erforderlich ist, darauf angebrachten, nicht gezeichneten Ausgangs-

um Fehlschaltungen zu vermeiden. wicklung.

Die bekannte Anordnung der Fig. 1 erreicht, ob- Die beschriebene Anordnung arbeitet folgender-

wohl sie häufig angewendet wird, nicht die ge- 5 maßen: Es sei angenommen, daß zu Beginn der

wünschte Betriebssicherheit und Wirksamkeit. Die Kern A im Zustand 1 und der Kern B im Zustand 0

unbedingt erforderlichen Dioden sprechen gegen die sind und daß ein Zählimpuls an den Eingangsklem-

Zuverlässigkeit und verlangen offensichtlich eng be- men IP so- gerichtet zugeführt wird, daß er den

grenzte Dimensionierungsvorschriften für die Wick- Kern A in den Zustand 0 treibt. Der dadurch in der

lungen der Kerne. Denn die Wicklungen A2 und B 2 io Wicklung A2 induzierte Spannungsimpuls gelangt

müssen eine genügende Ausgangsspannung liefern, auf den Eingang der Verzögerungsleitung und da

damit die Dioden Dl, D 2 einwandfrei arbeiten und diese am Ende offen ist, erscheint nach einer Verzö-

die Kondensatoren Kl, K 2 auf die erforderliche gerungszeit T₀ ein reflektierter Spannungsimpuls

Höhe aufgeladen werden. Die Erfindung soll diese gleicher Polarität an den gleichen Eingangsklemmen.

Nachteile beseitigen und gibt einen Binärzähler an, 15 Zu diesem Zeitpunkt ist der Zählimpuls selbst abge-

der einfacher, wirksamer und zuverlässiger als die klungen, und beide Kerne befinden sich nunmehr im

bekannte Anordnung nach Fig. 1 arbeitet. Zustand 0. Der reflektierte Spannungsimpuls aus der

Die Schaltung eines Binärzählers oder einer ahn- Leitung ist so gepolt, daß er den Kern A im Zu-

lichen Anordnung gemäß der Erfindung besteht aus stand 0 zu halten (es wird später ausgeführt, daß die

zwei Magnetkernen mit Rechteckcharakteristik, einem 20 Wicklung A2 dann weitgehend einen Kurzschluß

üblichen Eingangszählimpulskreis mit je einer Wick- darstellt) und den Kern B in den Zustand 1 zu trei-

lung auf jedem Kern, einer zweiten Wicklung (Kopp- ben sucht (wie später gezeigt, wirkt Wicklung B3

lungswicklung) auf jedem Kern und einem Koppel- dann weitgehend wie ein Widerstand). Wenn der

glied zwischen den beiden zweiten Spulen, welches erste reflektierte Impuls nicht ausreicht, den Kern B

entweder durch eine am Ende offene Verzögerungs- 25 bis in die Sättigung B umzumagnetisieren, folgen

leitung oder durch ein gleichwertiges Netzwerk aus weitere reflektierte Spannungsimpuise, immer von

konzentrierten Scheinwiderständen gebildet wird. der gleichen Polarität, bis Kern S endgültig in den

Die Verzögerungsleitung kann eine natürliche Lei- Sättigungszustand 1 getrieben ist. Seine Wicklung tung mit gleichmäßig verteilten Konstanten sein. An stellt dann weitgehend einen Kurzschluß dar, und Stelle einer solchen Leitung kann auch eine nachge- 30 alle weiteren reflektierten Impulse werden in dem bildete Leitung, z. B. mit konzentrierten Scheinwider- Reihenwiderstand RZ absorbiert. Zweckmäßigerständen, verwendet werden. Im einfachsten Fall, weise wird i?3 gleich oder annähernd gleich i?0 geweicher nicht unbedingt der vorteilhafteste ist, wird macht, um reflektierte Impulse entgegengesetzter Podie Verzögerungsleitung durch einen Kondensator larität zu unterdrücken, welche sonst entstehen könnnachgebildet, der zusammen mit einem kleinen Wider- _{35 teri)} nachdem Kern B den Zustand 1 erreicht hat. Da stand die erwähnten zweiten Wicklungen verbindet. die Anordnung symmetrisch ist, bringt der nächste Dabei wird der Widerstand zweckmäßigerweise nur Zählimpuls die Kerne wieder in den entgegengesetzaus den Wicklungswiderständen der Spulen selbst _ten Zustand, indem Kern A wieder in den Zustand 1 gebildet. Diese Nachbildung bedeutet nur eine grobe _und Kern B in den Zustand 0 übergeht.
Annäherung an eine offene Leitung in Reihe mit ₄₀ Um die vorher beschriebene Wirkungsweise beseinem Widerstand. Deshalb sind in manchen Fällen _{ser zu} verstehen, wird sie an Hand der Fig. 6 noch kompliziertere Netzwerke aus Widerständen, Kon- näher erklärt. Dabei gelten die in Fig. 6 dargestellten densatoren und Induktivitäten oder eine natürliche Kurven für den Fall, daß R3 gleich RO ist und daß Leitung mit gleichmäßig verteilten Konstanten vor- χ, _eine ideale, am Ende offene verlustlose Leitung ist. zuziehen. 45 Bei Magnetkernen mit Rechteckcharakteristik ist

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der Erfindung. Auch der Magnetisierungsstrom gewöhnlich nur ein Bruchiger sind zwei Kerne A und B mit Rechteckcharakte- teil des gesamten, in einer Wicklung fließenden Stroristik vorhanden, die je mit einer Zählimpulswick- _mes, während der Hauptteil des Stromes durch, die lung^l bzw. Bl versehen sind. Diese beiden Wick- Kernverluste verursacht wird. Der wirksame Scheinlungen werden wie in Fig. 1 in Reihe von den Ein- 50 widerstand einer solchen Magnetspule, deren Eisengangsklemmen IP mit Zählimpulsen gespeist. Kern A kern nicht gesättigt ist, kann daher in genügender trägt eine Ausgangswicklung A2, die aber nicht Annäherung als reiner Wirkwiderstand R=KN² dardurch ein Koppelglied gemäß Fig. 1, sondern durch gestellt werden, wo N die Windungszahl und K eine ein solches, bestehend aus der Serienschaltung eines Konstante ist, welche vom Werkstoff und den AbWiderstandes 7?3 und einer offenen Verzögerungs- 55 messungen des Kernes abhängt. Diese wirksamen leitung L, mit der Wicklung 53 verbunden ist. Die Widerstände R=KN² sind punktiert in Fig. 2 eingeunvermeidlichen Streuinduktivitäten und Wider- zeichnet. Wie schon erwähnt, ist der effektive Widerstände der Kernwicklungen sind bei der Bemessung stand R jeweils nur vorhanden, wenn der zugehörige als Teile der offenen Leitung und des Serienwider- Kern ungesättigt ist, während die Wicklung nahezu Standes mit berücksichtigt. Die Wicklung A2 hat 60 einen Kurzschluß darstellt, wenn sich der Kern in zweckmäßig die gleiche Windungszahl wie Wick- einer der beiden Sättigungslagen befindet,
lung B 3, wenn auch exakte Gleichheit nicht erforder- Bezugnehmend auf Fig. 6 sei nun angenommen, lieh ist. Die Gleichheit ist vorzuziehen, auf jeden Fall daß sich Kern A im Zustand 1 und Kern B im Zuaber darf sich das Windungszahlverhältnis höchstens stand 0 befindet und daß ein Zählimpuls gemäß

um den Faktor -JL- unterscheiden, wenn RO der ^{6s Kur}f_n ^{a an}^^ele^ ^wir^ "^{m den Ker}^ '^m. ^de!l_r ^Z^

* ^Äü stand 0 zu bringen. Dadurch entsteht m der Wick-

■ Wellenwiderstand der Verzögerungsleitung und R lung A 2 ein nahezu rechteckförmiger Spannungs-

, der parallele Verlustwiderstand der größeren der impuls, wie ihn Kurve b zeigt, der eine Dauer T₁ hat,

beiden Wicklungen bei Auftreten von Flußänderun- die kürzer als die Dauer des Zählimpulses gemäß

gen ist. Ausgangsimpulse können von jedem der bei- 70 Kurve α ist. Da Kern B zu diesem Zeitpunkt im Zu-

stand 0 ist, stellt Wicklung 53 einen scheinbaren Kurzschluß dar, und nahezu die gesamte Spannung £ liegt folglich an den Eingangsklemmen der Reihenschaltung aus Widerstand R 3 und Verzögerungsleitung L. Da RS = RQ ist, läuft ein Spannungsimpuls der

Amplitude -^- (Kurve c) in die Leitung hinein. Dieser Impuls wird am offenen Ende der Leitung reflektiert und gelangt mit gleicher Polarität und Ampli-

tude -j- nach einer Zeit T₀ wieder an die Eingangsklemmen, die gleich der doppelten Laufzeit der Leitung ist. Diese Zeit wird etwas langer als die Dauer des Zählimpulses gemacht, damit der reflektierte Impuls erst eintrifft, wenn der Strom in den Windungen Al, Bl bereits auf Null abgeklungen ist.

Der von der Leitung reflektierte Impuls sucht den Kern A im Zustand 0- zu halten, treibt aber Kern B in Richtung auf den Zustand 1, so daß die Wicklung B 3 angenähert als Widerstand R, dagegen Wicklung A2 nahezu als Kurzschluß erscheint. Ein Impuls der P 7?

Größe gelangt jetzt an dieWicklung53. Er

K -f- Δ KU

ist so gepolt, daß er den Kern B in Richtung auf den Zustand 1 treibt. Da R+RO größer als RO ist, entsteht eine weitere Reflektion. Diese und die folgenden haben ebenfalls die Form von Impulsen gleicher Polarität, aber mit kleiner werdender Amplitude (Kurve d). Wenn der Originalimpuls E eine Zeitdauer T₁ hat, dann ist sein Zeitintegral E-T₁ in Voltsekunden, und die Summe der Zeitintegrale der reflektierten Impulse, die an die Wicklung B 3 gelangen,

ist

vorausgesetzt natürlich, daß die Impuls-

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folge nicht ausreicht, Kern B zu sättigen. Wenn die Spulend2 und 53 die gleiche Windungszahl haben, wird der volle Sättigungszustand 1 des Kernes B nur erreicht, wenn die vorher bezeichnete Summe der Zeitintegrale größer als ET₁ ist. Daraus folgt, daß die theoretische Bedingung für eine einwandfreie Überführung in den Zustand 1 lautet, daß R größer als 2RO sein muß. In der praktischen Ausführung muß R wegen der unvermeidlichen Verluste in der Verzögerungsleitung und in den anderen Elementen um ein Vielfaches größer als 2RO sein. Wenn das

Verhältnis—-^-genügend groß für ein einwandfreies Arbeiten ist, erreicht Kern B den Zustand 1 bereits nach relativ wenigen Reflektionen. Die dann noch in der Leitung verbleibende Teilenergie wird im Widerstand R 3 absorbiert, und zwar ohne Polaritätswechsel oder teilweises Umschalten eines Kerns.

Fig. 3 zeigt eine Abänderung der Fig. 2. Als Koppelelement zwischen den Spulen A 2 und B 3 wird lediglich ein Kondensator KK verwendet, ohne daß ein Reihenwiderstand R3 als besonderes Schaltelement erforderlich ist. Der erforderliche Reihenwiderstand ist klein und wird bereits durch die Wicklungswiderstände dargestellt. Der Nachteil dieser einfachen Anordnung ist der, daß die Größe des Eingangsimpulses in ziemlich engen Grenzen (ungefähr + 25Vo) eingehalten werden muß, um ein einwandfreies Schalten des Kernes von einem in den anderen Zustand zu gewährleisten. Dies dürfte in manchen praktischen Fällen schwierig und unbequem sein.

Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele, in welchen die Leitung L in Fig. 2 durch Netzwerke von konzentrierten Scheinwiderständen ersetzt ist. Diese an sich gut bekannten Netzwerke brauchen hier nicht näher beschrieben zu werden. Sie werden durch die mit den Klammern U bezeichneten Elemente gebildet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Binäre Zähl- oder Frequenzteiler-Anordnung, bestehend aus zwei Magnetkernen mit rechteckförmiger Hysteresisschleife, einem gemeinsamen Eingangszählimpulskreis mit je einer Wicklung auf jedem Kern und je einer weiteren Wicklung (Kopplungswicklung) auf jedem Kern, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden weiteren Wicklungen (A2 und 53) durch ein Koppelglied verbunden sind, welches im wesentlichen eine am Ende offene Verzögerungsleitung (L) enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsleitung eine Leitung (L) mit gleichmäßig verteilten Konstanten vorgesehen ist (Fig. 2).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsleitung ein Netzwerk (L') aus konzentrierten Scheinwiderständen vorgesehen ist (Fig. 4 und 5).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsleitung ein Kondensator (KK) zusammen mit einem Widerstand dient (Fig. 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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