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Bistabile Kippschaltung Es sind Kippschaltungen bekannt, bei denen
zwei stabile Schaltzustände möglich sind, die durch-den jeweiligen Zustand von mindestens
einem in der Schaltung enthaltenen, durch Impulse steuerbaren Schalterglied bestimmt
werden. Solch eine Kippschaltung, die als bistabile Kippschaltung bezeichnet wird,
wechselt beim Eintreffen aufeinanderfolgender Steuerimpulse, die abwechselnd dem
einen oder dem anderen von zwei Stenerorganen zugeführt werden, zwischen ihren beiden
stabilen Schaltzuständen in Form eines Kippvorganges hin und her.
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Die Erfindung betrifft eine bistabile Kippschaltung, die gegenüber
den bekannten Schaltungen dieser Art eine neuartige Funktion aufweist, durch die
neue Anwendungsgebiete erschlossen werden, für die weiter unten einige Beispiele
genannt sind.
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Die bistabile Kippschaltung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest in der Impulszuleitung zu dem einen Steuerorgan ein Zeitglied liegt,
welches, durch das Umkippen der Schaltung aus einem ersten in einen zweiten Schaltzustand
ausgelöst, nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seine für die Ansprechbereitschaft
des ihm zugeordneten Steuerorgans, beispielsweise durch Beeinflussung der Vorspannung
an diesem Steuerorgan, maßgebende Eigenimpedanz ändert und dadurch das genannte
Steuerorgan während oder nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer für weitere Steuerimpulse
unempfindlich macht oder sperrt und ein Zurückkippen der Kippschaltung aus dem gerade
bestehenden zweiten Schaltzustand in den ersten durch während der Sperrung eintreffende
Impulse verhindert.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein Schaltschema einer bistabilen
Kippschaltung gemäß der Erfindung, bei der als Schalterglieder Transistoren verwendet
sind, Fig. 2 eine Alternative der Ausführung nach Fig. 1
und Fig.
3 eine erfindungsgemäße Kippschaltung mit Elektronenröhren als Schalterglieder.
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In der Fig. 1 ist eine aus Transistoren 1 und 2, Widerständen
3 bis 10, Kondensatoren 11 bis 14, Gleichrichtern
15, 16 und einem Relais 17 bestehende, an sich bekannte bistabile
Kippschaltung mit binärem Eingang 18,11,12 dargestellt. Eine solche symmetrisch
aufgebaute bistabile Kippschaltung ist bekanntlich so dirnensioniert, daß sie einen
stabilen Zustand erreicht, wenn der Transistor 1 vollständig leitet und der
Transistor2 ganz sperrt, ebenso erreicht sie einen zweiten stabilen Zustand dann,
wenn der Transistor 1
sperrt und der Transistor 2 leitet. Durch Erzwingung
eines bestimmten Zustandes an nur einem Transistor stellt sich der dazugehörige
Zustand des anderen Transistors jeweils selbsttätig ein. Der binäre Eingang
6, 11, 15 und 9, 12, 16 mit der Klemme 18 leitet positive
Umschaltimpulse jeweils auf denjenigen der beiden Transistoren, der gerade leitet,
und zwingt ihn dadurch züi sperren. Bei leitendem Transistor 1 ist nämlich
der ihm zugeordnete Gleichrichter 15 auch leitend, während der Gleichrichter
16 in Sperrichtung vorgespannt ist, so daß ein positiver Impuls an der Eingangsklemme
18 nur auf den Basisanschluß des Transistors 1 geleitet wird. Symmetrisch
umgekehrt liegen die Verhältnisse bei leitendem Transistor 2. Rechteckimpulse an
der Eingangsklemme 18 werden in einer solchen Schaltung auf Rechteckimpulse
der halben Frequenz verwandelt und können an einem der beiden Transistorkollektoren
abgenommen werden.
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Zu dieser an sich bekannten Anordnung ist nun in die mit der Basis
19 des Transistors 2 verbundene Leitung eine aus einer Spule 20 und einem
Kern 21 bestehende Drossel 22 geschaltet, deren Kern 21 aus Eisen mit rechteckiger
Hystereseschleife besteht. Parallel zur Drossel 22 ist ein Widerstand
23 und zwischen der Basis 19 des Transistors 2 und dem Gleichrichter
16 ein Widerstand 24 geschaltet. Ein zusätzlicher Gleichrichter
25 verbindet die Basis 19 des Transistors 2 mit seinem Emitter
26. Die Basis 27 des Transistors 1 ist über einen Schalter
28 und einen Kondensator 29, dem ein Widerstand .30 parallel
geschaltet ist, an den Minuspol 31 einer nicht dargestellten Stromquelle
angeschlossen.
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Im Ausgangszustand ist der Transistor 1. leitend und der Transistor
2 gesperrt. Der Drosselkern 21 befindet sich in diesem Fall zufolge eines vom -Spannungsteiler
5,
8 durch die Spule 20 der--Drossel 22 und den Gleichrichter 25 fließenden
Stromes in gesättigtem Zustand, z. B. -Bs.
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Beim Eintreffen eines er-sten Eingangsimpulses wird der Transistor
1 gesperrt;; wodurch der Transistor 2 in bekannter Weise leitend wird. Die
bistabile Kippschaltung ist also in den zweiten stabilen Zustand umgekippt. Durch
den Widerstand23. und die Spule20 ,der Drossel 22 beginnt jetzt ein Strom zu fließen,
der gegenüber dem während,#dgr Aufrechterhaltung des Ausgangszustandes der bistabilen
Kippschaltung vorhanden gewesenen eine - #iitgegengesetzte Richtung aufweist.
Dadurch setzt im Drosselkern20 ein Ummagnetisierungsvorgang ein, durch welchen er
in den entgegengesetzten Sättigungszustand +B, gebracht wird.
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Eine Drossel mit einem Kern aus magnetisch sättigbarem Eisen weist
bekanntlich im Gebiete der Ummagnetisierung eine bedeutend höhere Impedanz auf als
im Gebiete der Sättigung. Die Ummagnetisierungszeit, d. h. die Zeit, während
welcher der Eisenkern ' von - einem Sättigungsbereich in den -anderen
=magnetisiert, ist durch.folgende Beziehung gegeben.
worin U die angelegte Spannung, n die Windungszahl, Af, den Eisenquerschnitt
und 2 B., den maximal mög" lichen Induktionshub bedeutet. Die Ummagnetisierungszeitt"
ist bei Drosseln, deren Kern eine rechteckförmige Hystereseschleife aufweist, genau
definiert und kann durch Wahl der konstruktiven Parameter zweckmäßig gewählt werden.
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Während der durch die Ummagnetisierung gegebenen Zeitspanne t" stellt
also die Drossel 22 einen hohen Widerstand dar, so daß der Basisstrom des Transistors
2 praktisch nur durch den Widerstand 23 bestimmt wird. Letzterer begrenzt
den Basisstrom auf einen kleinen, eben noch zur Aufrechterhaltung des gekippten
Zustandes der Kippschaltung ausreichenden Wert.
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Trifft nun innerhalb der Ummagnetisierungszeit t. ein zweiter Eingangsimpuls
am Eingang 18 der bistabilen Kippschaltung ein, so wird dieser über den Kondensator
12, den Gleichrichter 16 und den Widerstand 24 der Basis 19 des Transistors
2 zugeleitet und bewirkt eine solche Verminderung des Basisstromes, daß ein Zurückkippen
der-bistabilen Kippschaltung in den Ausgangszustand erfolgt. Bei nun gesperrtem
Transistor 2 wird der Kern 21 der Drossel 22 durch den bereits erwähnten, durch
den Gleichrichter 25
fließenden Strom von seinem bis zum betrachteten Zeitpunkt
erreichten InduktionswertB wieder in den Ausgangszustand - B, zurückmagnetisiert.
Das Relais 17 spricht während der beiden rasch aufeinanderfolgenden Kippvorgänge
zufolge seiner Trägheit nicht an.
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Trifft jedoch während der Ummagnetisierungszeit t. der zweite Eingangsimpuls
nicht ein, so wird die Ummagnetisierung vollendet, und der Kern 21 der Drossel 22
wird mit zum Ausgangszustand entgegengesetzter Polarität der Induktion gesättigt,
d. h, mit +B,. Der Widerstand der Drossel 22 wird klein, und der Basisstrom
des Transistors 2 erreicht jetzt einen um ein Vielfaches höheren- Wert. Die Stromstöße
von anschließend eintreffenden Eingangsimpulsen werden durch den Widerstand 24 derart
begrenzt, daß sie ein Zurückkippen der bistabilen Kippschaltung in den Ausgangszustand
nicht mehr bewirken können, d. h., der Transistor 2 bleibt leitend, und der
Transistor 1 ist gesperrt. Die bistabile Kippschaltung bleibt also in ihrem
zweiten stabilen Zustand blockiert. -Das Relais 17 wird nun ständig
erregt, so daß es anzieht und seinen Kontakt betätigt. Dadurch kann in einem Stromkreis
32 der blockierte Zustand der Kippschaltung zur Anzeige gebracht werden.
Diese Anzeige bedeutet dann beispielsweise, daß in irgendeiner zu überwachenden
Einrichtung oder bei einem zu kontrollierenden Vorgang eine Störung eingetreten
ist. Um die blockierte Kippschaltung nach Behebung der Störung bzw. nach Berücksichtigung
ihrer Anzeige in ihren Ausgangszustand zurückzuführen, muß der Schalter
28 kurzzeitig geschlossen werden.
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- Die beschriebene bistabile Kippschaltung arbeitet also zusammengefaßt
wie folgt. Durch einen Eingangsimpüls wird sie aus ihrem Ausgangszustand in den
zweiten stabilen Zustand gebracht. Erreicht ein zweiter Eingangsimpuls den Eingang
18 der bistabilen Kippschaltung innerhalb einer durch die Ummagnetisierungszeit
des Kernes 21 der Drossel 22 scharf begrenzten Zeitspanne t" so kippt sie wieder
in den Ausgangszustand zurück, d. h., wird diese Bedingung eingehalten, so
arbeitet die bistabile Kippschaltung normal. Trifft hingegen der zweite Eingangsimpuls
nicht innerhalb der Zeitspanne t. ein, so wird die bistabile Kippschaltung blockiert
und kann durch nachfolgende Eingangsimpulse nicht mehr zurückgekippt werden. Nach
einer Verzögerungszeit, die durch die Anzugszeit des Relais 17 gegeben ist,
zieht dieses dann an und betätigt seinen Kontakt, wodurch ein für diesen Fall vorgesehener
Vorgang, z. B. das Einschalten eines Signallichtes, einer Alarrnvorrichtung usw.,
eingeleitet wird.
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Die beschriebene bistabile Kippschaltung ist für eine Reihe neuartiger
Anwendungen geeignet. So können z. B. in Impulszählketten die Impulse zu -Kontrollzwecken
über zwei parallele Kanäle geführt werden. Wird einer der beiden Ausgänge um kleine
Bruchteile eines Eingangsimpulsabstandes verzögert und werden dann beide Ausgänge
einer erfindungsgemäßen bistabilen Kippschaltung zugeleitet, so kann mittels derselben
das zeitlich richtige Eintreffen der Impulse aus beiden Kanälen überwacht werden,
d. h., trifft aus einem der beiden Kanäle ein Impuls nicht zur rechten Zeit
ein, so wird ein Signal betätigt, das auf einen Fehler oder eine Störung
in einem der beiden Kanäle aufmerksam macht. Bei Fernsteneranlagen mit Rückmeldung
kann eine derartige bistabile Kippschaltung vom Befehlsimpuls und vom Rückmeldungsimpuls
gesteuert werden. Sie zeigt dann verzögert eingetroffene oder überhaupt nicht ausgeführte
Befehte- an.
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Die erfindungsgemäße bistabile Kippschaltung kann statt mit einer
Drossel auch mit anderen Zeitgliedern, welche nach dem Ablauf einer gewählten Zeitspanne
ihren Widerstand ändern, aufgebaut werden. So kann Z. B.,wie in der Fig.
2 dargestellt ist, die Drossel 22 durch ein Relais 33 mit Kontakt 34 ersetzt
werden, welcher Kontakt nach dem Ablauf einer vorbestimmten, t" entsprechenden Verzögerungszeit
geschlossen wird. Unter Umständen ist überhaupt kein besonderes Relais 34 erforderlich,
indem dazu auch das Relais 17
herangezogen werden kann. Die Fig. 2 entspricht
im übrigen- der -Fig. 1, wobei gleiche Schaltelemente mit gleichen Bezeichnungen
versehen worden sind.
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Im Sinne des Erfindungsgedankens ist auch eine bistabile Kippschaltung
ausführbar, welche nach dem Kippen aus dem Ausgangszustand in den zweiten
Zustand
während einer vorbestimmten, der Ummagnetisierungszeit t. entsprechenden Zeitdauer,
d. h. also nur vorübergehend blockiert bleibt. Dies kann bei der Ausführung
nach Fig. 1 dadurch erzielt werden, daß die Drossel 22 durch einen Kondensator
mit ferroelektrischem Effekt ersetzt wird. Bei der Ausführung nach der Fig. 2 ist
in diesem Fall der Kontakt 34 des Relais 33 ein Ruhekontakt, welcher nach
der erwähnten Zeitdatier geöffnet wird.
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Eine solche Vorrichtung kann als Prüf- und Sortierkreis in Fernmeldeanlagen,
die nach einem Impuls-Abstand-Code arbeiten, eingesetzt werden, oder sie kann frequenzuntersetzende
Funktionen übernehmen und eignet sich dank der genau definierbaren Zeitspanne der
Blockierung für eine Vielzahl bisher mit größerem Aufwand gelöster Aufgaben.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße bistabile Kippschaltung
auch mit anderen Schaltelementen als mit Transistoren, z. B. mit nur einem Schaltelement
mit zwei stabilen Arbeitspunkten, wie z. B. eine Shockley-Diode, oder aber mit Röhren
aufgebaut werden. Nach der Fig. 3 ist beispielsweise eine bistabile Kippschaltung
in an sich bekannter Weise unter Verwendung von zwei Elektronenröhren
35, 36,
Widerständen 37 bis 44, Kondensatoren 45 bis 48, Gleichrichtern
49, 50 und eines Relais 51 aufgebaut. Zusätzlich ist diese bistabile
Kippschaltung mit Widerständen 52 bis 54 und einer aus einer Spule
55
und einem Kern 56 mit rechteckiger Hystereseschleife bestehenden
Drossel 57 versehen. Bei gesperrter zweiter Röhre 36 fließt ein Strom
von der Verbindungsleitung 58 der Widerstände 52, 53 durch die Drosselspule
55 zur Verbindungsleitung 59 der Widerstände 39, 42. Bei leitender
zweiter Röhre 36 fließt der Strom durch die Drosselspule 55 in umgekehrter
Richtung. Nach einem Kippvorgang aus dem Ausgangszustand in den zweiten stabilen
Zustand, d. h. in den Zustand, in welchem die zweite Röhre 36 leitend
ist, sinkt nach vollendeter Unimagnetisierung des Kernes 56 der Drossel
57 der Widerstand der letzteren, so daß das Gitter der Röhre 36 eine
derart kleine Spannung erhält, daß ein Zurückkippen der bistabilen Kippschaltung
durch weitere Eingangsimpulse nicht mehr möglich ist. Ein solches Zurückkippen kann
auch hier nur durch Impulse bewirkt werden, die während der Umma-netisierungszeit
t" eintreffen. Die Rückstellung der blockierten bistabilen Kippschaltung in den
Ausgangszustand erfolgt wiederum durch Betätigung eines Druckknopfes 60,
der in Reihe mit einem Kondensator 61 mit parallel geschaltetem Widerstand
62 zwischen dem Pluspol der Spannungsquelle und dem Stenergitter der ersten
Röhre 35 geschaltet ist. Analog zur Fig. 2 kann auch hier die Drossel
57 durch Relaiskontakte oder durch andere Zeitelemente ersetzt werden.
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Es versteht sich, daß das von der erfindungsgenläßen bistabilen Kippschaltung
erzeugte Signal nicht nur zur Betätigung eines Relais (17 bzw.
51), sondern auch für die Steuerung von anderen geeigneten Schaltelementen
oder Schaltungen dienen kann.
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Statt über einen binären Eingang können die Eingangsimpulse auch getrennten
Eingängen zugeführt werden.