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Bistabile Kippschaltung mit einem Magnetkern und einem Hallgenerator
Die Erfindung bezieht sich auf eine bistabile Schaltungsanordnung, also auf eine
Anordnung, die in der Lage ist, zwei voneinander unterscheidbare stabile Zustände
einzunehmen, die jeweils nach einem einmaligen, vorzugsweise verhältnismäßig kurzzeitigen
Einstellvorgang erhalten bleiben und zerstörungsfrei, also beliebig oft abgefragt
werden können. Als bistabile Schaltanordnungen sind unter anderem bistabile Relais
bekannt, deren Anker nach Zuführung eines kurzen Impulses über eine der Steuerwicklungen
in der einmal eingestellten Lage liegenbleibt. Über den Anker bzw. dem am Anker
angebrachten Kontakt kann dann ein der Polarität des ursprünglichen Steuerimpulses
entsprechender Dauerstrom fließen.
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In der Elektronik sind als bistabile Schaltglieder sogenannte Kippschaltungen
bekanntgeworden, die im allgemeinen aus zwei Verstärkerelementen bestehen, die in
einer gegenseitigen Abhängigkeitsschaltung derart betrieben werden, daß immer nur
eines der Verstärkerelemente Strom führen kann. Die Verstärkerelemente, z. B. Transistoren,
werden wechselweise gesteuert, so daß der Zustand der Verstärkerelemente, also beispielsweise
das Führen von Strom, ein Dauerkriterium für einen einmaligen kurzen Einstellimpuls
ist.
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Ein bistabiles Schaltglied ist an sich auch ein Magnetkern mit rechteckiger
Hystereseschleife, da auch dieser hinsichtlich seiner Restmagnetisierung, nach Auftreten
eines Steuerimpulses bestimmter Polarität, nur eine genau definierte Lage von zwei
möglichen Lagen annehmen kann. Magnetkerne mit rechteckiger Hystereseschleife als
bistabile Glieder unterscheiden sich aber von den erstgenannten bistabilen Schaltungsanordnungen
dadurch, daß ihr einmal eingestellter Zustand zwar erhalten bleibt, aber nicht ohne
weiteres »abgefragt< werden kann, da zur Feststellung der Restmagnetisierung
ein Magnetkern ummagnetisiert werden muß. Hierdurch wird aber die Restmagnetisierung
des Kernes, die ein Kriterium für den ursprünglichen Zustand war, zerstört. Soll
der Magnetkern seinen Zustand beliebig lange beibehalten, dann müssen Kunstschaltungen
vorgesehen werden, die nach jedem Abfragen den ursprünglichen Zustand wiederherstellen.
Als Schaltglied, wie es zum Ersatz eines Relais notwendig ist, konnte ein Magnetkern
bisher überhaupt nicht verwendet werden.
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Es ist bereits bekannt, in den Magnetkreis eines Magnetkernes mit
rechteckiger Hystereseschleife einen Hallgenerator anzuordnen. Ein Hallgenerator
ist bekanntlich ein Spannungselement, das eine Spannung abhängig von der Größe und
Richtung eines angelegten magnetischen Feldes und einer angenähert senkrecht hierzu
wirksamen Steuerspannung abgibt. Kehrt man also beispielsweise das magnetische Feld
bei gleichbleibender Steuerspannung um, dann ändert sich die Ausgangsspannung des
Haugenerators. Wird nun ein derartiger Hallgenerator in den Magnetkreis eines Magnetkernes
mit rechteckiger Hystereseschleife eingebaut, dann ist die Hallspannung unmittelbar
ein Kriterium für die Richtung des Magnetflusses im Magnetkern. Die Hauspannung
entsteht entsprechend dem andauernden Magnetfeld als Dauerspannung und kann beliebig
oft abgetastet werden.
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Die Einfügung eines Hallblättchens in den magnetischen Kreis des Rechteckkernes
bringt einen Luftspalt in diesem Kreis und damit eine Scherung der Hystereseschleife
mit sich. Der Magnetkern hat also tatsächlich keine streng rechteckige Hystereseschleife
mehr. Dies dürfte auch im wesentlichen der Grund sein, warum sich die bekannte Anordnung
mit einem Haugenerator in dem Magnetkreis von Rechteckkernen für Speicherzwecke
nicht durchgesetzt hat, da bei Speicherkernen gerade die Rechteckkurve wegen des
Koinzidenzprinzips beim Abfragen große Bedeutung hat.
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Gemäß der Erfindung soll ein Magnetkern mit rechteckiger Hystereseschleife
in Verbindung mit einem Haugenerator für Schaltzwecke verwendet werden. Die Schaltungsanordnung
nach der Erfindung sieht aber neben einem Haugenerator in dem Magnetkreis noch vor,
daß der Hallgenerator elektrisch im Steuerkreis eines Transistors (Schalttransistors)
derart angeordnet ist, daß abhängig von der Größe der Polarität der Ausgangsspannung
des Hallgenerators der Transistor ausgesteuert oder gesperrt wird. Bei der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung wird also unmittelbar durch die Ausgangsspannung des Haugenerators
ein Schalttransistor dauernd gesteuert, so daß für den Zustand des Magnetkernes
unmittelbar der Leitungszustand des Transistors charakteristisch ist, da der Transistor
bei der in einer Richtung bestehenden Magnetisierung Strom führt und bei der anderen
möglichen Magnetisierung gesperrt ist. Der Stromfluß in dem Transistor ist somit
unmittelbar ein Kriterium für den Zustand des Magnetkernes.
Hieraus
ergibt sich schon ohne weiteres, daß die Schaltungsanordnung nach der Erfindung
unmittelbar als Leistungsschalter für die elektronische Nachbildung eines elektromechanischen
Relais verwendet werden kann, wobei ein Einfachstromsclalter mit Ruhe- oder Arbeitskontakt,
eine bistabile Einfach- und Doppelstromschalteinrichtung oder sogar ein Doppelstromschalter
mit drei Zuständen (Umpolüng und Unterbrechung des Stromes in einem Verbraucher)
:aufgebaut werden. kann.
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Sämtliche Schaltungsausführungen erfüllen hierbei die im allgemeinen
gestellte Bedingung, daß der Steuereingang und Ausgang des Schalters galvanisch
voneinander getrennt sind. Dies ist bekanntlich bei bistabilen Schaltanordnungen
aus Verstärk_erelementen, z. B. aus zwei Transistoren, nicht ohne weiteres der Fall.
Weiterhin hat die Schaltungsanordnung nach der Erfindung den Vorteil, den Schaltkerne
an sich besitzen, daß nämlich bei Ausfall. der Versorgungsspannung an dem einmal
eingestellten Zustand nichts geändert wird, da ja die Restmagnetisierung im Magnetkern,
die für die Ausgangsspannung an dem Haublättchen und däiriit den -Zustand des Transistors
maßgebend ist, auch bis. zur Wiederkehr der Spannung erhalten bleibt. Auch dieser
Vorteil ist bei den bekannten bistabilen Schaltgliedern nicht vorhanden.
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Einzelheiten der Erfindung: werden an Hand einiger in den Zeichnungen
dargestellten Schaltungsausführungen im folgenden erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt eine Grundschaltung. Der Ha,llgenerator
HG, ein Blättchen aus-einer Halbleiterverbindung, ist in einem geringen Luftspalt
des Magnetkernes M angeordnet. Die Ausgangsklemmen des Hallgenerators sind unmittelbar
an den Ünvtter bzw. der Basis des Transistors Ty angeschlossen, über dessen über
die Batterie U2 versorgten Kollektorkreis der Arbeitswiderstand R angeordnet ist.
Die Batterie US liefert den Steuerstrom für den Eingangskreis des Hallgenerators,
der bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung einmal fest eingestellt wird.
Der Magnetkern M, in dessen magnetischen Kreis der Hallgenerator eingefügt ist,
besitzt eine einzige Steuerwicklung. Das Magnetmaterial besitzt eine möglichst rechteckige
Hystereseschleife, so daß zwischen dem Eingangsstrom il in der Steuerwicklung und
der Ausgangsspannung Uh des Teilgenerators eine feste Beziehung besteht. Hierbei
ist dann die Spannung Uh je nachdem, ob ein vorausgegangener Stromimpuls in der
Wicklung W1 positiv oder negativ war, so groß, daß der Transistor T ausgesteuert
wird oder nicht. Dementsprechend fließt dann ein Strom i2 durch den Verbraucher
R oder nicht.
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Bei Betrachtung des Ausführungsbeispiels erscheint zunächst störend,
daß eine eigene Steuerspannung US eingeführt werden muß. Hierbei ist aber zu berücksichtigen,
daß in einer elektronischen Anlage die Steuerspannung US für beliebig viele Anordnungen
gemäß der Fig. 1 verwendet werden kann. Eine Leistung wird dieser Spannungsquelle
nicht entnommen.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf spezielle Anwendungsbeispiele.
Hierbei wird gezeigt, daß in jedem Falle die Grundschaltung mindestens einfach vorhanden
ist. Durch die Darstellung einzelner Anwendungsmöglichkeiten ist aber der Anwendungsbereich
der Schaltungsanordnung nach der Erfindung nicht erschöpft, sondern es können weitere
Anwendungsmöglichkeiten ohne weiteres gegeben sein, da sich die Schaltungsanordnung
wie ein bistabiler Schalter verhält und bistabile Schalter für die verschiedensten
Zwecke in der Nachrichten- und Steuertechnik verwendet werden.
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Die Fig.2 zeigt die Verwendung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
als Einfachstromschalter mit Vorzugslage. Die gezeigte Schaltungsanordnung unterscheidet
sich von der Grundschaltung nach Fig. 1 durch die Anwendung einer Vormagnetisierung
V, die für den Strom il = 0 in der Steuerwicklung je nach Polung in der Hauspannung
den Transistor im Leit- oder Sperrzustand festhält. Sobald jedoch il einsetzt, wechselt
der Transistor seinen Zustand. Die Anordnung stellt somit einen Verstärker mit oder
ohne Phasenumkehr dar (entsprechend einem Relais mit Ruhe- oder Arbeitskontakt),
wobei die Verwendung des Ringkernes mit Hallgenerator nur dem einen Zweck. dient,
zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers eine Potentialtrennung zu ermöglichen.
Die Anordnung eignet sich dann besonders als Ausgangsschalter für elektronische
Impulsgeber, z. B. eine elektronische Fernschreibmaschine. Hat der Eingangsstrom
il Doppelstroxncharakter; kann die Vormagnetisierung fortgelassen und die Anordnung
als Umwandler von Doppel- in: Einfachstrom betrieben werden.
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Die Fig. 3 zeigt einen Einfachstromschalter für hohe Spannungen. Dieser
Schalter ist dort zu verwenden, wo die zu schaltende Spannung die zulässige Sperrspannung
eines einzelnen Transistors überschreitet. Zur Schaltung der hohen Sperrspannung
werden zwei komplementäre Transistoren T 2 und T 3 verwendet. Der
hochohmige Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2 verteilt im Sperrzustand
die Spannung U2 im Verhältnis 1 : 1 auf beide Transistoren. Die Steuerspannung,
also die Ausgangsspannung des Hallgenerators muß bei dieser Schaltungsanordnung
doppelt so hoch sein wie zur Aussteuerung eines Transistors. Die Spannungsbedingungen
werden aber selbst von normalen Hallgeneratoren noch erfüllt.
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Sollen für den gleichen Zweck zwei gleichartige Transistoren verwendet
werden, dann kann man die Schaltung nach Fig. 4 aufbauen, in dem ein Magnetkern.
mit zwei im Magnetkreis angeordneten. Haugeneratoren angeordnet wird. Die im Magnetkreis
angeordneten Haugeneratoren HG1 und HG2 steuern paarweise die beiden Transistoren
T4 und T5, wobei auch in diesem Fall ein hochohmiger Spannungsteiler R1, R2 zur
Aufteilung der Spannung vorgesehen ist. Hierbei ist unterstellt, daß der Minuspol
der Batterie U2 nicht zugänglich ist, da die Batterie U2
über eine
Leitung vom Schalter getrennt ist. Sofern der Minuspol zugänglich ist, kann man
den Haugenerator HG 1
einsparen und den Transistor T4 über den Spannungsteiler
abhängig vom Zustand steuern.
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Wie schon erwähnt, wird durch die erläuterten Ausführungsbeispiele
die Anwendung der Erfindung keineswegs beschränkt. Es ist durchaus eine weitere
Kombination der Schaltungsanordnung nach der Erfindung für die verschiedensten Nachbildungen
möglich. So ist es beispielsweise unter Verwendung zweier vollständiger Schaltungsanordnungen
nach Fig.1, deren Ausgangskreis zusammengefaßt wird, möglich, einen dreifach stabilen
Schalter aufzubauen, mit welchem also die Schaltzustände -f-1, -1, 0 wiedergegeben
und übertragen werden können. Weiterhin ist es denkbar, den Ausgangskreis so aufzuteilen,
daß in zwei verschiedenen Verbrauchern gegenphasige Ausgangsströme entstehen.
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Wie schon ausgeführt, bringt die Anordnung eines Haugenerators im
Magnetkreis des Magnetkernes mit an sich rechteckiger Hystereseschleife eine Scherung
der Schleife mit sich, die für manche Anwendungsfälle störend ist. Gemäß einer Weiterbildung
des Erfindungsgedankens kann die Hystereseschleife mit Hilfe einer Rückkopplungswicklung
regeneriert werden, was andererseits dazu führt, daß der Magnetkern verhältnismäßig
klein gehalten werden kann. Die Rückkopplungsspannung kann. für diese Zwecke dem
Transistorausgang entnommen werden.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
wird an Hand der Fig. 5 im folgenden erläutert In dieser Schaltung ist außer einer
Eingangswicklung und einer Vormagnetisierungswicklung V, wie sie beispielsweise
auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 vorgesehen ist, eine Rückkopplungswicklung
wR vorgesehen, über die immer dann ein Strom geführt wird, wenn der Transistor T
1 leitend ist. Wie ohne weiteres aus der Darstellung zu ersehen ist, wird also abhängig
von dem Zustand des Transistors T1 ein Fluß in dem Magnetkern hervorgerufen, der
die Ausgangsspannung des Hallgenerators HG zusätzlich in dem gleichen Sinn
wie der Remanenzzustand des Kernes selbst nach dem Auftreten eines Erregungsimpulses
bewirkt. Im Gegensatz zu bekannten Rückkopplungsschaltungen, die als bistabile Kippschaltungen
verwendet werden, hat diese Ausführung den Vorteil, daß auch bei vorübergehendem
Ausfall der Versorgungsspannung der einmal eingespeicherte Zustand aufrechterhalten
bleibt, da, trotz vorhandener Scherung der Hystereseschleife, die an sich durch
die Rückkopplung weitgehend beseitigt wird, ein einmal eingestellter Zustand doch
so weit erhalten bleibt, daß beim Wiederauftreten der Versorgungsspannung der gleiche
Schaltzustand gewährleistet wird.
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Mittels zweier gegenphasig gesteuerter Transistoren im Ausgangskreis
kann man eine Rückkopplung in beiden Richtungen wirksam werden lassen. Die Fig.
6 zeigt auch hierzu eine Schaltungausführung unter Verwendung zweier komplementärer
Transistoren. In diesem Fall kann dann die streng rechteckförnüge Hystereseschleife
ohne Schwierigkeit realisiert werden. Bei Verwendung von zwei gleichen Transistoren
für diesen Zweck müßten entsprechend zwei Haugeneratoren vorgesehen werden.
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Auch bei dieser Ausführungsform können Maßnahmen zum Schalten von
höheren Spannungen vermieden werden, wie schon an Hand der Fig. 2 bis 4 im einzelnen
erläutert wurde.