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Schaltung zum Erzeugen aufeinanderfolgender Impulse unterschiedlicher
Polarität Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Erzeugen aufeinanderfolgender
Impulse unterschiedlicher Polarität, insbesondere auf einen ferromagnetischen Stufenschalter,
der bipolare Impulse aufeinanderfolgend einer Mehrzahl Belastungselemente zuführt.
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Elektronische Stufenschalteinrichtungen zum aufeinanderfolgenden Erregen
einer Mehrzahl Belastungselemente mit Hilfe von Gleichstrom- oder Gleichspannungssignalen
sind bekannt. So werden bei einer derartigen Anordnung eine Mehrzahl binärer logischer
Gatter und bistabiler Multivibratoren (sogenannte Flip-Flops) zum aufeinanderfolgenden
Zuführen unipolarer Spannungsimpulse zu einer Mehrzahl Ausgangsleiter verwendet.
Eine andere bekannte Anordnung führt sämtliche Funktionen aus und verwendet hierzu
eine Mehrzahl ferromagnetischer Kerne rechteckiger Hysteresisschleife, an die je
mehrere Wicklungen gekoppelt sind.
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Jedoch erfordern z. B. viele Datenverarbeitungsschaltungen eine Stufenschalterausführungsform,
die nicht einpolare, sondern bipolare Ausgangssignale liefert. So werden beispielsweise
nacheinander zugeführte bipolare Signale bei der Abfragung ferromagnetischer Speicherelemente
verwendet, bei denen die entsprechenden Polaritäten der Ausgangssignale zum Umschalten
und hierauf folgendem Rückstellen der Speichervorrichtungen vorgesehen sind. Bisher
ermangelte es der einschlägigen Technik an billigen und betriebssicheren Quellen
hoher Schaltgeschwindigkeit für derartige aufeinanderfolgende bipolare Signale.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Stufenschalter
zu schaffen, der aufeinanderfolgende bipolare Impulse kurzer Dauer bei hoher Impulsfolgegeschwindigkeit
liefert und der äußerst betriebssicher und leicht und billig herzustellen ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einer Schaltungsanordnung
zum Erzeugen aufeinanderfolgender Impulse unterschiedlicher Polarität mit mindestens
einem Kern mit im wesentlichen rechteckiger Hysteresisschleife, einer mit dem Kern
gekoppelten ersten Wicklung, die zum Einstellen des Kerns in einen ersten Remanenzzustand
erregbar ist, einer mit dem Kern gekoppelten zweiten Wicklung, die durch ein Erregungssignal
einer ersten Polarität zum Umschalten des Kerns in einen zweiten Remanenzzustand
erregbar ist, und einer mit dem Kern gekoppelten und mit einer Ausgangsklemme verbindbaren
dritten Wicklung zum Erzeugen eines Ausgangssignals einer ersten Polarität in Abhängigkeit
von dem Umschalten des Remanenzzustandes des Kerns; und die erfindungsgemäße Lösung
besteht darin, daß eine ladungsspeichernde Diode derart zwischen die zweite und
dritte Wicklung geschaltet ist, daß das Erregungssignal der ersten Polarität über
die Diode in Flußrichtung zur dritten Wicklung zu fließt und daß für eine bestimmte
Zeitspanne, unmittelbar nach Beendigung des Erregungssignals der ersten Polarität
ein Erregungssignal einer zweiten Polarität über die Diode in Sperrichtung zur dritten
Wicklung zum Erzeugen eines an der Ausgangsklemme auftretenden Ausgangssignals einer
zweiten Polarität fließen kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind eine Mehrzahl ferromagnetischer
Kerne rechteckiger Hysteresisschleife vorgesehen, von denen jeder eine angekoppelte
Eingangs-, Erregungs- und Ausgangswicklung aufweist. Ferner sind zum alternierend
erfolgenden Zuführen positiver und negativer Stromimpulse zu den verschiedenen Wicklungen
eine erste bzw. eine zweite Quelle vorgesehen. Eine Mehrzahl ladungsspeichernder
Dioden sind mit ihrem einen Anschluß mit der zweiten (negativen) Quelle und mit
ihrem anderen Anschluß mit den entsprechenden Ausgangswicklungen verbunden. Die
Ausgangswicklung eines Kerns ist mit der Eingangswicklung des
folgenden
Kerns verbunden, die ihrerseits mit einem zugeordneten Belastungselement verbunden
ist. Ladungsspeichernde Dioden zeichnen sich durch eine niedrige Impedanz in der
Vorwärtsrichtung aus sowie durch die Fähigkeit, während einer begrenzten Zeitspanne,
die auf eine in Vorwärtsrichtung erfolgende Stromleitungsphase folgt, auch im rückwärts
vorgespannten Zustand einen Strom durchzuleiten, bevor sich der Zustand hoher Impedanz
einstellt, also der Stromfluß in Sperrichtung aufhört.
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Im Anfangszustand wird ein Kern (üblicherweise der erste) in einen
ausgewählten remanenten Zustand eingestellt, und die übrigen Kerne werden in den
entgegengesetzten oder in den zurückgestellten Zustand eingestellt. Zum Zuführen
des ersten der Folge bipolarer Impulse wird ein positiver Impuls von der ersten
(positiven) Impulsquelle den Erregungswicklungen zugeführt, so daß hierdurch der
Remanenzzustand des ersten Kerns umgeschaltet wird. Als Folge hiervon wird ein positiver
Strom erzeugt, der durch die Ausgangswicklung des ersten Kerns sowie durch die zugeordnete
Speicherdiode, die Eingangswicklung des zweiten Kerns und die hiermit in Serie liegende
Belastung fließt. Der zweite Impuls entgegengesetzter Polarität wird durch einen
negativen Impuls erzeugt, der von der zweiten (negativen) Quelle herrührt und über
die Diode, die Ausgangswicklung und die Eingangswicklung der Last zugeführt wird.
Der Strom fließt daher durch die Last und die Diode in Sperrichtung, aber wegen
der Natur der Diode nur während einer begrenzten Zeitdauer, wonach die Diode in
den Zustand hoher Impedanz übergeht und ein Aufhören des Stromflusses bewirkt. Der
so erzeugte negative Impuls stellt auch den nächsten Kern ein, wodurch der für einen
folgenden Betriebszyklus richtige magnetische Zustand hergestellt wird.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt F i g. 1 ein schematisches Schaltbild
eines Magnetkern-Stufenschalters und F i g. 2 ein Strom-Zeit-Diagramm zur Erläuterung
der ausgewählten Schaltelementen nach F i g. 1 zugeordneten Ströme.
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In der F i g. 1 ist eine Stufen- oder Schrittschaltausführungsform
dargestellt, die drei ferromagnetische Kerne 10 bis 12 rechteckiger
Hysteresisschleife aufweist. Eine Mehrzahl Wicklungen, nämlich eine Eingangswicklung
21, eine Ausgangswicklung 22 und eine Erregungswicklung 23, sind je mit jedem Kern
induktiv gekoppelt. Zusätzlich hierzu ist eine den Anfangszustand bestimmende Wicklung
29, die mit einer den Anfangszustand bestimmenden Quelle 28 in Serie liegt, mit
dem Kern 10 gekoppelt. Jede der Erregungswicklungen 23 ist mit dem zugeordneten
Kern über zwei Schleifen gekoppelt, während die übrigen Wicklungen der Anordnung
nach F i g. 1 je eine Schleife aufweisen.
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Es sei bemerkt, daß die vorstehend beschriebenen Wicklungen sowie
die nachfolgend noch zu beschreibenden weiteren Schaltelemente je mit einem Index
versehen sind, der den Kern bezeichnet, dem dieses Element zugeordnet ist. Daher
bezeichnet beispielsweise die Bezugsziffer 2111 die Eingangswicklung 21, die mit
dem Kern 11 induktiv gekoppelt ist.
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Die Erregerwicklungen 23 liegen in Serie miteinander und sind gleichfalls
mit einer Quelle 50 positiver Stromimpulse verbunden. Zusätzlich hierzu sind die
Wicklungen 23 in Serie mit einer Mehrzahl Zweige eines Nebenschlußnetzwerkes verbunden,
von denen jeder die Serienverbindung einer ladungsspeichernden Diode 19 mit einer
Ausgangswicklung 22, die mit einem der Kerne 10 bis 12 gekoppelt
ist, einer Eingangswicklung 21, die mit dem nächstfolgenden Kern gekoppelt ist,
und eine Mehrzahl Belastungselemente 18 aufweist (ladungsspeichernde Dioden sind
bekannt und beispielsweise in dem Artikel »PN-Junction Charge-Storage Diodes« von
J. L. Moll et a1 im Januarheft 1.962 der -Zeitschrift »Proceedings of the IRE« auf
S.43 bis 83 beschrieben).
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Die speziell gewählten Belastungen 18, die in der F i g. 1 dargestellt
sind, können beispielsweise durch eine Mehrzahl Treibspulen gebildet sein, die beispielsweise
zum Betreiben ferromagnetischer Speichervorrichtungen (nicht dargestellt) verwendet
werden können. Ferner ist eine Quelle 55 negativer Stromimpulse mit der Verbindungsstelle
von Erregerwicklung 2312 und den Speicherdioden 19 verbunden. Die Quellen 50 und
55 werden von einem Taktgeber 60 zum alternierend erfolgenden Liefern positiver
bzw. negativer Stromimpulse gesteuert.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist jede der Erregerwicklungen 23
mit einem verschiedenen der Kerne 10 bis 12 unter einer Polarität gekoppelt, so
daß hierin ein im Uhrzeigersinn bestehender Sättigungsfiuß erzeugt wird, wenn den
Wicklungen 23 ein positiver Stromimpuls in Richtung des Vektors 100 von der
Quelle 50 zugeführt wird. Die Flußrichtungen sind durch die Vektoren 70,
74 bzw. 78 längs der Kerne 10 bis 12 in der F i g. 1 dargestellt. Ferner ist jede
der Ausgangswicklungen 22 auf dem zugeordneten magnetischen Kern so gewickelt,
daß die hierin infolge eines angelegten Erregerimpulses erzeugte elektromotorische
Kraft in einer Vorwärtsrichtung gerichtet ist, wenn der Kern vorher in einem im
Gegenuhrzeigersinn gerichteten maximalen Remanenzzustand war. Im einzelnen hat das
induzierte Potential die Richtung des positiven Erregungsstromes und befindet sich
daher auch in einer Richtung, um die zugeordnete in Serienverbindung angeschlossene
ladungsspeichernde Diode 19 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen. Die Orientierung dieser
induzierten Signale ist in der F i g. 1 durch die Vorzeichenmarkierungen längs der
Ausgangswicklungen, die mit den Kernen 10 bis 12 gekoppelt sind, dargestellt.
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Ferner sind die Eingangswicklungen 21 so orientiert, daß sie die Kerne
10 bis 12 in einer im Gegenuhrzeigersinn gerichteten Einstellungspolarität sättigen,
wenn diese mit einem negativen Stromimpuls, der von Erde aus fließt, erregt werden.
Ebenso ist die den Anfangszustand bestimmende Wicklung 29 so angeordnet, daß der
Kern 10 im Gegenuhrzeigersinn in Richtung des Vektors 71 magnetisiert wird, wenn
die Wicklung 29 von der Anfangszustandsquelle 28 erregt wird.
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Im folgenden soll nun unter Beachtung der vorstehenden Ausführung
eine illustrative Schaltfolge der in der F i g. 1 dargestellten Magnetkern-Stufenschaltvorrichtung
beschrieben werden. Im Anfangszustand ist der remanente Zustand des Kerns 10 im
Gegenuhrzeigersinn ausgerichtet (der sogenannte maximal remanent magnetische Einstellzustand),
und die remanenten Zustände der Kerne 11 und 12 sind
im Uhrzeigersinn
ausgerichtet (im sogenannten magnetischen Rückstellzustand). Der vorstehend beschriebene
Anfangszustand wird durch zuerst erfolgendes Zuführen eines positiven von der Quelle
50 herrührenden Stromimpulses zu den in Serie miteinander verbundenen Erregerwicklungen23
hergestellt, und zwar in Richtung des Vektors 100. Hierdurch werden alle Kerne in
einen im Uhrzeigersinn gerichteten remanenten Zustand zurückgestellt. Nachfolgend
erregt die Anfangszustandquelle 28 die Wicklung 29, so daß hierdurch eine Umkehrung
des remanenten Zustandes des Kerns 10 in einen im Gegenuhrzeigersinn gerichteten
Zustand (s. Vektor 71) erzeugt wird.
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Zur Gewinnung des ersten Impulses der Folge bipolarer Impulse liefert
die Quelle 50 positiver Stromimpulse einen Stromimpuls zu den in Serie liegenden
Erregerwicklungen 33 zum Zeitpunkt a, wie dies in der Zeile 4 der F i g. 2 dargestellt
ist. Hierauf ansprechend wird der magnetische Zustand des Kerns 10 von seinem
ursprünglichen im Gegenuhrzeigersinn gerichteten Flußzustand (Vektor 71) in einen
im Uhrzeigersinn gerichteten Zustand umgeschaltet, wie dies durch den Vektor 70
dargestellt ist. Infolge der im Kern 10 aufgetretenen Flußumschaltung wird in der
Ausgangswicklung 2210 ein Spannungsimpuls einer Polarität induziert, wie sie durch
die Polmarkierungen an der Wicklung 2210 dargestellt ist. Dieser Spannungsimpuls
hat eine solche Richtung, daß die zugeordnete Speicherdiode 1910 in Vorwärtsrichtung
vorgespannt wird und daß der durch die Wicklung 2210 fließende positive Erregungsstromimpuls
unterstützt wird. Daher läuft der von der Quelle 50 zum Zeitpunkt a den in Serie
liegenden Erregerwicklungen 23 zugeführte Stromimpuls über die ladungsspeichernde
Diode 1910, die Ausgangswicklung 2210, die Eingangswicklung 2111 und die Stromtreibspule
1811 zurück zurErde. Dieser durch die Belastung 1811 fließende positive Strom ist
in der Zeile 1 der F i g. 2 für das dem Zeitpunkt a folgende Intervall dargestellt.
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Es sei bemerkt, daß der in der Ausgangswicklung 2210 im Anschluß an
den Zeitpunkt a fließende Strom im Kern 10 eine Magnetisierkraft erzeugt, deren
Polarität gegenüber der Kraft entgegengesetzt ist, die durch den gleichen in der
Erregungswicklung 2310 fließenden Strom hervorgerufen wird. Da jedoch die Wicklungen
2210 und 2310 eine bzw. zwei Schleifen besitzen, ist die vorstehend beschriebene
resultierende Magnetisierkraft, die im Uhrzeigersinn gerichtet ist, in dem Kern
10 in Richtung des Vektors 70 orientiert. Weder der durch die Erregerwicklungen
2311 oder 2312 zum Zeitpunkt a fließende Strom noch der durch die erregte Eingangswicklung
2111 fließende Strom schaltet irgendeinen Fluß in den Kernen 11 und 12 um, da die
jeweiligen resultierenden Magnetisierkräfte in jedem Falle im Uhrzeigersinn, also
in der Rückstellrichtung, orientiert sind, in der diese Kerne sich ohnehin befinden.
Daher befindet sich im durch die Zeitpunkte a und a'
begrenzten Intervall
(F i g. 2) jeder der Kerne 10 bis 12 in einem im Uhrzeigersinn orientierten
Sättigungszustand; und der positive durch die Quelle 50 gelieferte Impuls
läuft über die Last 1811 zur Erde.
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Zum Zeitpunkt a' (F i g. 2) hört der von der Quelle 50 gelieferte
positive Stromimpuls auf, mithin gleichfalls der durch die Last 1811 fließende Strom.
Um nun den zweiten, entgegengesetzt gepolten Impuls zu erzeugen, liefert die Quelle
55 einen negativen Stromimpuls in Richtung des Vektors 110, und zwar zum Zeitpunkt
b, wie dies in Zeile 5 der F i g. 2 dargestellt ist. Normalerweise könnte dieser
negative Strom nicht von Erde ausgehend durch eine der Belastungen 1810 oder
1812 fließen, da die Speicherdioden 1912 und 1911, die alle mit diesen Belastungen
in Serie liegen, einem derartigen Strom im Effekt einen offenen Kreis darbieten
würden. Jedoch, wie oben erwähnt, sind diese Dioden ladungsspeichernde Dioden, die
in der Lage sind, in der Sperrichtung während einer begrenzten Zeitdauer einen Strom
zu leiten, nachdem kurz zuvor ein Stromfluß durch die Dioden in der Vorwärtsrichtung
vorhanden war. Daher ist zum Zeitpunkt b der Gleichstromweg zwischen Erde und der
Quelle 55 negativer Impulse für einen negativen Strom geschlossen, der seinen Weg
über die Belastung 1811, die Eingangswicklung 2111, die Ausgangswicklung 2210 und
die Speicherdiode 1910 nimmt. Daher fließt der von der Quelle 55 zugeführte negative
Stromimpuls über den vorstehend definierten Serienweg während des dem Zeitpunkt
b folgenden Intervalls, wie dies in der Zeile 5 der F i g. 3 dargestellt ist.
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Zum Zeitpunkt b' (F i g. 2) hat sich die in der Diode 1910 gespeicherte
Ladung völlig erschöpft, und die Diode repräsentiert praktisch eine unendliche Impedanz
in der Sperrichtung, wie dies normalerweise bei Verwendung gewöhnlicher Dioden der
Fall wäre. Daher wird der negative, durch die Last 1.811 und die hiermit in Serie
liegenden Schaltelemente fließende Strom zum Zeitpunkt b' beendet, und das Ende
des negativen von der Quelle 55 herrührenden Impulses, das zum Zeitpunkt b" auftritt,
beeinflußt die Schaltung nach Fig. 1 nicht. Es wurde daher gezeigt, daß in Abhängigkeit
aufeinanderfolgender von den Quellen 50 und 55 herrührender Impulse zuerst ein positiver
und dann ein negativer Stromimpuls durch das Belastungselement 1811 geflossen ist.
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Es sei bemerkt, daß der während des Zeitintervalls b, b' durch
die Eingangswicklung 2111 fließende negative Strom dem hiermit gekoppelten Kern
11 eine im Gegenuhrzeigersinn gerichtete Magnetisierungskraft erzeugt. Als Folge
dieser Magnetisierungskraft wird der remanent magnetische Zustand des Kernes
11 von der bisherigen Uhrzeigersinnorientierung, die durch den Vektor 74
dargestellt ist, in eine Gegenuhrzeigersinnorientierung, die durch den Vektor75
dargestellt ist, umgeschaltet. Daher befinden sich ab dem Zeitpunkt b, wie dies
in F i g. 2 dargestellt ist, die Kerne 10 und 12 in der Uhrzeigerorientierung, während
sich der Kern 11 in der Gegenuhrzeigerorientierung befindet.
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Nunmehr sei angenommen, daß die Quelle 50 positiver Stromimpulse einen
zweiten Stromimpuls den Erregerwicklungen 23 zum Zeitpunkt c (F i g. 2) zuführt.
Die erregte Wicklung 2311 schaltet den remanenten Zustand des Kernes 11 in die Rückstell-oder
Uhrzeigersinnorientierung, wodurch eine Spannung in der Ausgangswicklung 2211 induziert
wird. Daher wird, wie vorstehend im Zusammenhang mit dem Kern 10 für den ab dem
Zeitpunkt a herrschenden Zustand beschrieben worden ist, der von der Quelle 50 zum
Zeitpunkt c zugeführte Strom dazu gezwungen, über die Diode 1911, die Ausgangswicklung
2211, die Eingangswicklung 2112 und die Belaherrührt,
über den vorstehend
beschriebenen Weg geshunted werden, wodurch sichergestellt wird, daß eine resultierende
im Uhreigersinn orientierte Erregungsmagnetisierkraft in den Kernen 10 bis
12 erzeugt würde, wenn die Erregerwicklung 23 und die Ausgangswicklung 22,
die mit jedem Kern gekoppelt sind, gleichzeitig erregt werden. stung 181Q zur Erde
zurückzukehren. Dieser durch die Last 181E ab dem Zeitpunkt c fließende Strom ist
in der Zeile 2 der F i g. 2 dargestellt. Der durch die Last 181E fließende Strom
hört zum Zeitpunkt c' auf, und zwar in Abhängigkeit vom Aufhören des von der Quelle
50 gelieferten Stromes.
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Wenn nun anschließend die Quelle 55 negativer Stromimpulse einen negativen
Stromimpuls in Richtung des Vektors 10 zum Zeitpunkt d liefert, wie dies in der
Zeile 5 der F i g. 2 dargestellt ist, so fließt dieser Strom über die Last 181E,
die Diode 1911, die zu diesem Zeitpunkt die Fähigkeit hat, Strom in der Sperrichtung
zu leiten, und über die übrigen zugeordneten in Serie liegenden Elemente. Der durch
die Last 181E fließende negative Strom ist in der Zeile 2 der F i g. 2 für das auf
den Zeitpunkt d folgende Intervall dargestellt. Zum Zeitpunkt d' wird die Diode
1911 ein effektiv offener Kreis für einen in der Sperrichtung fließenden Strom,
und die Last 181E wird daher entregt.
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Wie vorstehend im Zusammenhang mit dem Einstellen des Kernes 11 während
des auf den Zeitpunkt b folgenden Zeitintervalls beschrieben worden ist, stellt
der durch die Eingangswicklung 211E fließende _mgative Strom im Zeitintervall
d, d den Kern 12 ein. Daher wird in Abhängigkeit des zweiten
positiven und zweiten negativen Impulses, die von den Quellen 50 bzw. 55 herrühren,
ein bipolarer Stromimpuls der Last 181E zugeführt. Zusätzlich hierzu wird im Kern
12 ein im Gegenuhrzeigersinn orientierter remanent magnetischer Zustand erzeugt,
während die Kerne 10 und 11 im rückgestellten oder im Uhrzeigersinn
gerichteten reiaanent magnetischen Zustand während des Zeitraums verbleiben, der
auf den zuletzt zugeführten negativen Impuls folgt.
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In ähnlicher Weise liefern die dritten positiven und negativen Impulse
(s. Zeilen 4 und 5 der F i g. 2) einen bipolaren Strom, der durch die Last
181, fließt, wie dies in der Zeile 3 der F i g. 2 dargestellt ist. Zusätzlich
hierzu stellt der durch die Last 1810 und die Eingangswicklung 2110 fließende
negative Strom den Kern 10 ein. Daher ist die Anordnung der F i g. 1 in den
Anfangszustand zurückgestellt und ist zur Einleitung einer neuen Schaltfolge vorbereitet.
Es wurde daher gezeigt, daß die in der F i g. 1 dargestellte Stufenschaltausführungsform
auf jedes Paar Eingangssignale, die von den Quellen 50 und 55 herrühren, zum aufeinanderfolgenden
Liefern bipolarer Ausgangssignale an die Belastungen 1811, 181E und 1810
in dieser Reihenfolge anspricht.
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Die dargestellte Ausführungsform kann auf vielfältige Weise abgewandelt
werden. Zum Beispiel in den Fällen, in denen der remanente Anfangszustand der Kerne
für jeden vollständigen Arbeitszyklus notwendig ist, die Ausführungsform der F i
g. 1 zur Erfüllung dieser Bedingung dadurch leicht abgeändert werden, da.ß die Eingangswicklung
211o entfernt wird, die den Ausgang des letzten Kernes 12 mit dem Eingang des ersten
Kernes 10 koppelt.
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Auch kann durch Vorsehen eines Gleichstromweges zwischen Erde und
der Verbindungsstelle der Erregerwicklung 231E mit der Quelle 55 negativer Impulse
(F i g. 1) jede der Erregerwicklungen vorteilhafterweise eine einzige Schleife aufweisen.
Bei einer derartigen Anordnung würde ein Teil des positiven Erregungsstromes, der
von der Quelle 50