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In manchen Fällen ist es wünschenswert bzw. notwendig, mechanische
Schrittschaltwerke durch bedeutend rascher ansprechende und rascher schaltende elektronische,
bi- oder multistabile Schaltkreise zu ersetzen. Solche Schaltkreise werden z. B.
in bestimmten Regelsystemen, insbesondere in Digital-Analog-Konvertern und Analog-Digital-Konvertern
mit Magnetspeichern benötigt.
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Ganz allgemein tritt jedoch bei der Funktionsnachbildung mechanischer
Schrittschaltwerke durch elektronische digitale Schaltungen das Problem auf, den
Zustand der Schaltung, der bei einem allfälligen Ausfall oder bei einer Abschaltung
der Versorgungsspannung geherrscht hat, bei der Wiederkehr bzw. Wiedereinschaltung
der Spannung richtig reproduzieren zu können. Ohne diese Fähigkeit ist nämlich die
praktische Verwendbarkeit von elektronischen digitalen Schaltkreisen an Stelle von
mechanischen Schritt Schaltwerken, welche ihre Ruhestellung von selbst beibehalten,
sehr beschränkt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen bi- oder multistabilen
Schaltkreis mit Wiederherstellung des im Zeitpunkt einer Abschaltung der Energiezufuhr
vorhandenen Schaltzustandes nach Wiederherstellung der Energiezufuhr, bei dem mindestens
ein magnetisierbares Element mit rechteckförmiger Hystereseschleife und mit zwei
einander entgegenwirkenden Magnetisierungswicklungen vorgesehen ist, wobei wenigstens
mit Hilfe einer der Magnetisierungswicklungen eine während des Einschaltstoßes zur
Einnahme des wiederherzustellenden Schaltzustandes beitragende Asymmetrie des herstellbar
ist.
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Es ist bereits eine Einrichtung bekannt, bei der die beiden Arbeitsstromzweige
einer Kippschaltung durch einen sättigbaren Transformator mit gegensinniger Wicklungspolung
gekoppelt sind. Durch diesen Transformator wird bezüglich der Kollektorströme in
beiden Kreisen eine Unsymmetrie zugunsten des vor Spannungsausfall zuletzt stromführenden
Kreises erzielt.
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Es kann sich bei einer derartigen Einrichtung mit einer aus Halbleiterelementen
aufgebauten bistabilen Kippschaltung jedoch nachteilig auswirken, daß nach Wiederkehr
der Versorgungsspannungen beide Elemente im ersten Moment Strom ziehen und die Schaltung
daher erst nach einer bestimmten Zeit in die eine oder in die andere Lage kippt.
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Es sind ferner bistabile Kippschaltungen bekannt, bei denen jeweils
zwei Übertrager vorgesehen sind, von denen je nach Schaltzustand der bistabilen
Kippstufe zum Zeitpunkt eines Versorgungsspannungsausfalls der eine oder der andere
in die Sättigung gebracht wird.
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Auch bei diesen bistabilen Kippstufen läßt es sich jedoch nicht vermeiden,
daß bei Versorgungsspannungswiederkehr im ersten Moment jeweils beideTransistoren
zugleich Strom ziehen, da die Induktion der Übertrager in der Umgebung des Remanenzpunktes
eine nur geringe Abhängigkeit von der Feldstärke aufweist und daher beim Wiedereinschalten
zunächst nur eine verhältnismäßig kleine Induktivität zur Schaffung der erforderlichen
Unsymmetrie zur Verfügung steht.
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Gemäß der Erfindung läßt sich der im Zeitpunkt der Abschaltung vorhandene
Schaltzustand bi- oder multistabiler Schaltkreise dadurch mit besonders großer Sicherheit
wiederherstellen, daß das magnetisierbare Element nur mit Hilfe einer der Magnetisierungswick
Jungen im gesamten Querschnitt sättigbar und mittels der anderen Wicklung nur in
einem Teil des Querschnittes magnetisierbar ist und daß wenigstens die eine zur
vollständigen Sättigung vorgesehene Magnetisierungswicklung des Magnetkernes zur
fallweisen Herstellung der Asymmetrie vorgesehen ist.
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Ein derartiger Schaltkreis hat den Vorteil, daß er beim Wiedereinschalten
mit Sicherheit vom ersten Moment an in Richtung zu der vor dem Ausschalten der Betriebsspannung
vorhandenen Lage hin übergeführt werden kann. Als magnetisierbare Elemente können
Magnetkerne, Magnetringe od. dgl. vorgesehen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der elektronische Schaltkreis
derart ausgebildet, daß das magnetisierbare Element als Transfiuxor ausgebildet
ist, bei dem sich ein geschlossenes magnetisches Joch an wenigstens einer Stelle
in zwei Teiljoche aufteilt, und daß die eine Magnetisierungswicklung als Blockierwicklung
auf dem Joch und die andere Wicklung als Einstellwicklung auf einem der Teiljoche
angebracht ist. Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß bei dem zur teilweisen
Magnetisierung des magnetisierbaren Elementes herangezogenen Strom keine besonderen
Toleranzen eingehalten zu werden brauchen.
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Es ist ferner zweckmäßig, den elektronischen Schaltkreis derart auszubilden,
daß die eine Magnetisierungswicklung als Gegenkopplungsinduktivität, insbesondere
in die Emitterleitungen von Transistoren bistabiler oder multistabiler Multivibratoren,
geschaltet ist.
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Weitere Details der vorliegenden Erfindung sind an Hand der Zeichnungen
im folgenden beschrieben. Es zeigt F i g. 1 der Zeichnung eine typische rechteckförmige
Hysteresisschleife, wie sie z. B. bei sogenannten Transfluxoren auftritt, von welchen
einer schematisch in F i g. 2 dargestellt ist; F i g. 3 zeigt den Aufbau eines mit
Transistoren bestückten Multivibrators mit nur einem Speicherelement, wogegen F
i g. 4 die gleiche Schaltung, jedoch mit zwei in Gegentakt geschalteten Speicherelementen
darstellt; schließlich ist aus F i g. 5 der Aufbau eines Multivibrators mit vier
stabilen Zuständen zu ersehen, dem vier Speicher in der erfindungsgemäßen Art zugeordnet
sind.
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Die F i g. 1 der Zeichnung zeigt die Hysteresisschleife eines Ferrit-Magnetkernes,
der für die Impulszählung bzw. -Speicherung geeignet ist. Über die Feldstärke
H ist die Induktion B aufgetragen, wobei die remanenten Induktionen
+B, und -B,. nahezu so groß wie die bei Sättigung auftretenden Induktionswerte sind.
Bei remanenter Magnetisierung ist die Änderung
der Induktion nach der Feldstärke minimal
wogegen im entmagnetisierten Zustand, also bei kleinen Induktionswerten (B -> 0)
die Änderung
(B = 0) gleich ist der Tangente an die Neukurve N im Ursprung und wesentlich größer
ist als
min. Eine Spule mit einem Magnetkern, der sich im Zustand remanenter Magnetisierung
befindet, weist daher eine wesentlich kleinere Induktivität auf als eine Spule,
deren Magnetkern unmagnetisiert (B = 0) ist.
In F i g. 2 ist ein
sogenannter Transfluxor dargestellt, der im erfindungsgemäßen Zusammenhang bevorzugt
als Speicher verwendet wird und in Abweichung von der üblichen Ausführung nur zwei
Wicklungen besitzt. Sein Kern A ist ringförmig ausgebildet, wobei allerdings die
Mittelachse der inneren zylindrischen Begrenzungsfläche des Ringes etwa nach links
parallel verschoben ist gegenüber der Mittelachse seiner äußeren zylindrischen Begrenzungsfläche,
so daß er links eine dünnste und rechts eine dickste Zone aufweist. Die dünnste
Zone ist von einer sogenannten Blockierwicklung B umfaßt; die dickste Zone ist durchbrochen
von einer kreisrunden Ausnehmung a, durch welche die zweite als Einstellwicklung
E dienende Wicklung hindurchgezogen ist, welche den inneren der beiden durch die
Ausnehmung a gebildeten Stege des Kernes A umschlingt. Selbstverständlich könnte
statt dessen der äußere Steg von der Einstellwicklung umschlungen sein, da es bei
deren Anordnung lediglich darauf ankommt, daß mit ihrer Hilfe eine bereichsweise
Änderung der Magnetisierung auf folgende Weise erzielt werden kann: Wenn die Blockierwicklung
B in der durch die Zeichen -I-- und - angedeudeten Weise gespeist wird, so entsteht
in dem das große Loch des Kernes A umschließenden Ringteil die mit +B, bezeichnete
remanente Magnetisierung, und die Induktivität der Blockierwicklung B ist demnach
relativ gering. Wird danach die Einstellwicklung E in der in F i g. 2 mit und -
angedeuteten Weise vom Strom durchflossen, so ergibt sich eine remanente Magnetisierung
---B,. im inneren Kreis des Kernes A, die in der von der Einstellwicklung E umschlossenen
Zone gegensinnig zu der von der Blockierwicklung B hervorgerufenen Magnetisierung
+Br verläuft, wodurch sich im Inneren der von der Blockierwicklung B umschlossenen
Zone eine magnetisierungsfreie Zone (B . = 0) ergibt, in der die durch die Neukurve
N bestimmte, relativ große Änderung
der Induktion nach der Feldstärke wirksam ist, wodurch die Blockierwicklung B in
diesem Zustand der Magnetisierung eine hohe Induktivität erhält. Es läßt sich also
die Wirkungsweise des Transfluxors kurz in der Weise beschreiben, daß die Blockierwicklung
B dann eine große Induktivität aufweist, wenn eine zusätzliche Magnetisierung durch
die Einstellwicklung E vorliegt, hingegen eine kleine Induktivität bei der angegebenen
Magnetisierungstendenz aufweist, wenn die Magnetisierung ausschließlich von ihr
selbst verursacht ist.
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Die Wiederherstellung von Schaltzuständen bi- oder multibistabiler
Schaltkreise nach einem Netzausfall gemäß der Erfindung mit Hilfe eines Transfluxors
in oben beschriebener Schaltung beruht auf der Tatsache, daß nach einem Stromausfall
in beiden Wicklungen B und E die Blockierwicklung B einem erneuten Stromanstieg
einen hohen induktiven Widerstand entgegensetzt und diesen daher verlangsamt; war
hingegen die Blockierwicklung B vor dem Stromausfall allein vom Strom durchflossen
und die Einstellwicklung E stromlos, so weist die Blockierwicklung eine kleine Induktivität
auf und erlaubt daher einen relativ raschen Stromanstieg. Der Stromanstieg von Transistoren
eines Kippschaltkreises, in deren Emitterleitungen die Blockierwicklung von solcherart
auf hohe Induktivität eingestellten Transfluxoren liegen, wird durch diese stark
verzögert. Diese Transistoren bleiben daher bei Einschaltung der Netzspannung gesperrt,
und nur jene Transistoren beginnen Strom zu ziehen, in deren EmitterleitungdieBlockierwicklungenvon»blockiertena
Transfluxoren liegen, deren Induktivität gegenüber einem sich aufbauenden Strom
gering ist.
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Die gleiche Wirkung kann mit einfachen Magnetringen aus einem Material
mit rechteckförmiger Hysteresisschleife erzielt werden, auf die zwei entgegengesetzte
Wicklungen aufgebracht werden, von welchen eine als Blockierwicklung und die andere
als Einstellwicklung dient. In diesem Fall muß allerdings der Einstellstrom genau
eingehalten werden, während dieser bei Verwendung von Transfluxoren nur einen gewissen
Mindestwert übersteigen muß, sonst aber völlig unkritisch ist.
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Die oben beschriebene prinzipielle Funktionsweise tritt bei allen
Anwendungsbeispielen auf, die im folgenden beschrieben sind. F i g. 3 zeigt eine
bistabile Multivibratorschaltung, welche zwei Transistoren Tr, und Tr2 aufweist,
die in der üblichen Weise durch Widerstände im Gegentakt miteinander gekoppelt sind.
In die Emitterleitung des linken Transistors Tr, ist die Einstellwicklung E eines
Transfiuxors eingeschaltet, seine Blockierwicklung B wird vom Emitterstrom des rechten
Transistors Tr2 durchflossen. War vor dem Spannungsausfall bzw. der Netzabschaltung
der linke Transistor Tr, stromführend, so wurde der Transfluxor eingestellt, und
es stellt die Blockierwicklung eine große Induktivität dar. Bei der Wiederkehr der
Speisespannung bleibt daher der rechte Transistor Tr2, in dessen Emitterleitung
die Blockierwicklung B des eingestellten Transfluxor liegt, für das Kippen in den
stromführenden Zustand gesperrt, weshalb der linke Transistor Tr, Strom zieht und
die Schaltung wieder in den vor dem Spannungsausfall eingenommenen Zustand zurückfällt.
Selbstverständlich darf die Induktivität der Blockierwicklung B im eingestellten
Zustand des Transfluxors nicht so groß sein, daß der rechte Transistor Tr, auch
bei der normal vorgesehenen Umsteuerung des Kippzustandes der Schaltung keinen Strom
mehr ziehen kann; es muß vielmehr in diesem Fall die Induktivität für den Emitterstrom
überwindbar sein, wobei der Transfluxor blockiert wird.
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War jedoch vor dem Ausbleiben der Spannung der rechte Transistor @r2
stromführend, wobei der Transfluxor blockiert wurde, so stellt die Blockierwicklung
B eine geringe Induktivität dar, und es wäre der Zustand, den die Schaltung nach
Wiederkehr der Speisespannung erreicht, nur von den zufallsbedingten geringfügigen
Unsymmetrien der Multivibratorschaltung abhängig. Es wird daher die Unsymmetrie
absichtlich definiert durch die geeignete Wahl der Arbeitswiderstände R, und R2
oder durch verschieden dimensionierte Basisspannungsteiler oder durch einen zusätzlichen
Kondensator C, der z. B. den Arbeitswiderstand R, überbrückt, wobei auch mehrere
dieser Maßnahmen kombiniert werden können. Infolge dieser beabsichtigten und definierten
Schaltungsasymmetrie beginnt im Falle des blockierten Zustandes des Transfiuxors
der rechte Transistor Dr-2 Strom zu ziehen, so daß die Schaltung in den im Zeitpunkt
der Abschaltung eingenommenen Zustand zurückkehrt. Für die Dimensionierung dieser
Schaltungsasymmetrie gilt allerdings die Bedingung, daß sie durch die hohe Induktivität
der Blockierwicklung B des eingestellten Transfluxors überwindbar und ins Gegenteil
umkehrbar sein muß, da die Schaltung in diesem Falle für Wechselstrom gerade gegenteilig
asymmetrisch sein muß.
Die Schaltung gemäß F i g. 4 entspricht jener
nach F i g. 3 mit dem einzigen Unterschied, daß an Stelle der absichtlich erzeugten
andauernden Schaltungsasymmetrie ein zweiter Transfluxor tritt, der - gegensinnig
zum ersten Transfluxor geschaltet ist. Es liegen somit in der Emitterzuleitung zum
linken Transistor Tri die diesem zusätzlich zugeordnete Blockierwicklung BI des
neu hinzugekommenen Transfluxors sowie die Einstellwicklung EZ des bereits in F
i g. 3 dargestellten Transfluxors, in der Emitterzuleitung zum rechten Transistor
Trz befinden sich die Blockierwicklung Ba des oben beschriebenen und die Einstellwicklung
Ei des neu hinzugekommenen Transfluxors. Dafür entfällt der Kondensator C. Diese
beiden Transfluxoren arbeiten im Gegentakt in der oben geschilderten Weise.
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Bei der Anwendung der Erfindung für multistabile Multivibratoren geht
man am besten gemäß F i g. 5 vor. In jeder Emitterleitung der vier Transistoren
Trl bis Tr4 liegt je eine Blockierwicklung BI bis B4 eines Transfluxors. Die Einstellwicklungen
El bis E4 dieser vier Transfluxoren sind entweder - wie in F i g. 5 dargestellt
- in Serie geschaltet, oder sie können parallel zueinander liegen und werden entweder
dauernd oder impulsweise von einem Strom einer Größe durchflossen, der nicht ausreicht,
einen Transfluxor einzustellen, in dessenBlockierwicklungBlockierstrom fließt, der
aber groß genug ist, Transfluxoren einzustellen, deren zugehörige Transistoren gesperrt
sind, so daß die Blockierwicklungen stromlos sind. Dieses Prinzip der kritischen
Bemessung des Einstellstromes kann auch für die bistabilen Elemente gemäß den F
i g. 3 und 4 angewendet werden, während andererseits bei einer beabsichtigten dauernd
asymmetrischen Bemessung der Schaltung eine Verringerung der Anzahl derverwendetenTransfluxoren
ermöglicht wird.
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Es können im Rahmen der Erfindung an Stelle von Transfluxoren auch
alle anderen Speicherelemente verwendet werden, welche prinzipiell die Eigenschaft
besitzen, daß sie ihren Speicherinhalt auch ohne Zufuhr von Speiseenergie behalten,
z. B. die sogenannten ferroelektrischen Speicher, bei welchen flache Einkristalle
etwa aus Bariumtitanat mit reversibler Dielektrizitätskonstante erfindungsgemäß
derart benutzt werden, daß sie bei jedem Schaltschritt umgepolt werden, ihrerseits
aber einzelne Schaltglieder der elektronischen Kippkreise sinngemäß derart bedämpfen
bzw. entdämpfen, daß variable Schaltungsasymmetrien entstehen, welche bei der Wiederkehr
der Speisespannung die sichere Einnahme des zuletzt eingestellten Kippzustandes
bewirken. Andererseits können hierzu auch Relaiseinrichtungen, z. B. ein polarisiertes
Relais verwendet werden, dessen Kontaktzunge symmetrisch und neutral eingestellt
ist und der Asymmetrierung dienende Widerstände bzw. Kondensatoren usw. hinzuschaltet
oder kurzschließt, wobei pro Relais zwei Wicklungen vorgesehen sind, von welchen
jede im Stromkreis eines Transistors liegt, so daß die Relaiszunge je nach dem Kippzustand
des Kreises umgelegt wird und in dieser Stellung verharrt, bis ein neuerliches Umkippen
des Kreises bewirkt wird.