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Binärer Relais-Rechner Das binäre Zahlensvstem braucht bekanntlich
nur die beiden Grundziffern Null und Eins, aus denen sich jede beliebige Zahl darstellen
läßt. Bei der Verwendung von nur zwei Grundziffern ergeben sich große Vorteile für
den Aufbau von mechanischen oder elektrischen Recheneinrichtungen, da ein Zählwerk
nur jeweils in eine von zwei verschiedenen Stellungen eingestellt zu werden braucht.
Besonders einfach ist diese unterschiedliche Einstellung durch ein Relais zu erreichen,
das bei jedem Rechenimpuls von der einen in eine andere Stellung umgeschaltet wird,
somit nach jedem zweiten Impuls wieder die gleiche Schaltstellung erreicht. Bei
den bekannten Anordnungen dieser Art veranlaßt (las Relais eine -mechanische Umstellung
einer die Null- und Einsla-e bestimmenden Anordnung. Wenn diese letztere auch sehr
einfach ist und leicht ausgebildet sein kann, z. B. als ein Schrittschaltwerk oder
ein abwechselnd in eine von zwei verschiedenen Totpunktlagen umschaltbarer Hebet,
so erfordert diese Umstellung doch immerhin eine gewisse mechanische Arbeit. Dieser
Arbeitsaufwand verzögert aber die Arbeitsgeschwindigkeit des Relais-Rechners, die
gerade deswegen sehr wichtig ist, weil binäre Relais-Rechner meist in Verbindung
mit elektrischen Röhrenzählern angewendet werden: Um die Leistungsfähigkeit der
letzteren voll ausnutzen zu können, ergibt sich deshalb die Forderung nach einer
möglichst hohen Arbeitsgeschwindigkeit des binären Relais-Rechners.
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,Die Erfindung trägt den Forderungen nach einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit
des Relais-Rechners
weitgehend Rechnung, indem sie die vom Relais
zu leistende Arbeit nur auf das Umlegen des Relaisankers beschränkt, ohne daß von
diesem selbst irgendwelche andere mechanische Arbeit abgeleitet werden müßte. Allein
dadurch, daß sich der Relaisanker in der einen oder anderen Stellung befindet, wird
die Einstellung einer Rechenwerlkstelle auf 1\'u11 oder Eins zum Ausdruck gebracht.
Es ist klar, daß infolgedessen die Arbeitsgeschwindigkeit des Relais-Rechners praktisch
nur durch die Ansprechzeit des Relais begrenzt wird, und daß sich deshalb auch außerordentlich
hohe Rechengeschwindigkeiten erreichen lassen, da allein die Pendelbewegungen des
Relaisankers den Rechenverlauf bestimmen.
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Der Erfindungszweck wird nun dadurch erreicht, daß der Anker des Rechenrelais
an jeder Seite nach der er umgelegt werden kann, sowohl unter der Überwachung einer
im Betriebszustand erregten Haltewicklung als auch unter der Überwachung einer den
Rechenimpuls aufnehmenden Impulswicklung steht, die der jeweiligen Ankerstellung
entsprechend durch den Relaisanker geschlossen wird, und daß sich die Haltewicklung
und Impulswicklung in ihrer magnetischen Wirkung auf den Anker bei gleichzeitiger
Erregung infolge eines ankommenden Rechenimpulses aufheben, so daß die entgegengesetzte
Haltewicklung den Anker in die andere Stellung umlegt und' die Umschaltung von Null
auf Eins und umgekehrt lediglich durch das Pendeln des Relaisankers erfolgt und
die Einstellung auf Null oder Eins nur durch die Lage -des Relaisankers bestimmt
ist.
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Bei Rechenvorrichtungen muß beim Überziehen. der niedrigeren Stelle
ein Übertrag von der niedrigeren Stelle auf die nächsthöhere erfolgen. Dieser Übertrag
muß beim binären Relais-Rechner bei jedem zweiten Rechenimpuls erfolgen. Man kann
ihn deswegen als Zweierübertrag bezeichnen, genau so wie man beim dezimalen Zahlensystem
von einem Zehnerübertrag spricht. !Die erfindun:gsge@mäße Ausgestaltung des Rechenrelais
ermöglicht es auch, das gleiche Relais als Zweierübertragrelais zu verwenden.
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Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulichen.
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Fig. i zeigt das Prinzipschaltbild des Rechenrelais; ,Fig.2 zeigt
das Prinzipschaltbild des Rechenrelais in seiner Zusammenschaltung mit einem Zweierübertragrelais;
Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines binären Relais-Rechners, der
durch binär gelochte Zählkarten gesteuert wird; Fig.4, 5 und 6 zeigen in Schnitt
und Ansicht eine Ausführungsform des Rechenrelais; Fig. 7 zeigt in Draufsicht einen
binären Rel!ais-Rechnermit mehrerenRechenwerkstellen, von denen jede Stelle aus
einem Rechenrelais und einem Übertragrelais besteht. Es soll zunächst an Hand des
Prinzipschaltbilds nach Fig. i der Grundgedanke der Erfindung erläutert werden.
Es sind dort zu jeder Seite des 'hin und her beweglichen Ankers i A zwei Spulen
vorgesehen. Die an entgegengesetzten Seiten des Ankers liegenden oberen Spulen
H o bzw. H i sind die Haltespulen für die Nullstellung bzw. die Einsstellung.
Beide Spulen sind hintereinandergeschaltet und liegen im Stromkreis der Leitung
i H, d. h. der Leitung für die erste Zählwerksstelle, die die Haltespulen enthälit.
Im Betriebszustand sind die beiden Haltespulen dauernd unter Strom. Da jedoch die
I4altespule Ho eine etwas größere Windungszahl als die Haltespule H i aufweist,
wird der Anker i A des Rechenrelais in der :'Ausgangsstellung immer in der aus Fig.
i ersichtlichen linken Stellung d. h. in der Null-Stellung des Rechenrelais gehalten.
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Die beiden unteren, an entgegengesetzten Seiten des Relaisankers liegenden
Spulen lo und Ji sind die Impulsspulen, die jedoch nur in dem Augenblick eines über
die Impulszuleitung i I_ ankommenden Rechenimpulses Strom erhalten. Jede Impulsspule
hat einen Kontakt, an dem der Anker i A in der zugeordneten Stellung anliegt, der
damit eine Verbindung zwischen der Leitung i L, der zugeordneten Impulsspule und
der Rückleitung zR, d. h. der Rückleitung für die erste Zählwerksstelle, herstellt.
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Wesentlich ist noch für die Wirkungsweise, daß die beiden Spulen Ho
und J o, sowie andererseits die beiden Spulen H i und J i, sich derart entgegenwirken,
diaß sich ihre magnetischen Kraftfelder bei gleichzeitiger Erregung beider Spulen
aufheben. Deshalb sind die beiden `Vicklungen in Wirklichkeit auf eine einzige Spule
aufgewickelt, wovon aber in . Fig. i der übersichtlichen Darstellung wegen Abstand
genommen ist.
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Die Wirkungsweise ist nun im Grundsatz folgende: In der Ausgangsstellung
wird der Anker i A durch die etwas überwiegende Haltewicklung Ho nach links gezogen
und stehlt mit seinem unteren Ende eine Verbindung von der Impulszuleitung i L zu
dem Impulsmagneten Jo her. Der letztere Magnet wird aber erst wirksam, wenn ein
Rechenimpuls ankommt. Wird nun in der betreffenden Rechenwerkstelle die Grundziffer
Eins eingeführt, so erfolgt ein Impuls über Leitung i L, Anker iA, Impulswicklung
Jo und über Rückleitung i R zurück zur Stromquelle. In diesem Augenblick hebt aber
die magnetische Wirkung der Spule lo die magnetische Wirkung der Spule Ho auf den
Anker i A auf. In diesem kurzen Augenblick wird daher die Haltespule H r
wirksam werden können und den Anker nach rechts umlegen. Dadurch wird auch die Impulszuleitung
zu der Spule J o unterbrochen und der Anker wird jetzt von der Spule H i in der
rechten Stellung gehalten, trotzdem die Spule H i schwächer ist als Ho; aber der
größere Luftspalt zwischen Ho und i A läßt die Überlegenheit der Spule H o nicht
zur Geltung kommen. Um zu verhindern, daß nun gleich wieder derselbe Impuls nochmals
vermöge der Erregung der Spule I i ein Zurückschalten des Ankers veranlaßt, wird
in der später
bei Fig.3 beschriebenen Ausführung noch ein Abreißrelais
in die Impulsleitung eingeschaltet, so daß ein Impuls, gleichgültig wie lange er
dauert, nur jeweils eine einmalige Umlegung des Relaisankers bewirken kann und die
nächste Umlegung immer einen neuen Impuls erfordert.
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Kommt nun ein zweiter Impuls, so wird infolge des nach rechts umgelegten
Ankers i A die Impulsspule J i Strom erhalten und dadurch den Einfluß der Spule
H i auf den Relaisanker aufheben. In diesem Augenblick kann wieder die Spule Ho
wirksam werden, weil zur rechten Seite des Relaisankers -überhaupt keine magnetischen
Kräfte angreifen; der Relaisanker wird durch den zweiten Impuls wieder nach links
in seine Ausgangsstellung zurückgelegt.
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Es ist also ersichtlich, daß nach jedem zweiten Impuls der Anker wieder
seine Null-Stel'lung einnimmt. Da aber nun in der Zwischenzeit zwei Einheiten in
die l@etreffende Zähl'erstelle eingeführt worden sind, so muß beim Zurückgang des
Ankers in die Null-Stellung ein Zweierübertrag in die nächsthöhere Recli-enstelle
erfolgen. Die dazu im Prinzip erforderliche Anordnung ist in Fig. 2 veranschaulicht,
bei der für die Zwecke des Übertrages ein dem Rechenrelais ähnliches übertragrelais
vorgesehen ist.
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Das Cbertragrelais besitzt zwei Haltespulen HT o und HT i,
d. 1i. Haltewicklung im Transferkreis für Null-Stellung bzw. Eins-Stellung. Auch
hier ist die linke Hältewicklung etwas stärker ausgebildet als die rechte. Ferner
sind die beiden Impulswicklungen JT o und JT i vorgesehen, d. h. Impulswicklung
im Transfetakreis für die Null-Stellung und die Eins-Stellung. Der Anker i AT des
übertragrelais stellt in seiner linken Stellung eine Verbindung zur Spule JT q her,
während für das rechte Relais JT i keine entsprechende Kontaktgabe erforderlich
ist. Dieses Relais ist vielmehr über die Leitung oLT an einen Kontakt angeschlossen,
der in der linken Stellung des Ankers i A von dem letzteren geschlossen wird.
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Der Anker 2 A des Rechenrelais in der zweiten Rechenw,erkstelle ist
einerseits an die Leitung 2 L angeschlossen, von der er seinen Rechenimpuls bekommt,
andererseits verbindet eine Leitung i Z den Anker i AT in der gezeichneten linken
Stellung mit dem Anker 2A des Rechenrelais der zweiten Stelle.
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Die Wirkungsweise beim Zweierübertrag ergibt sich nun aus folgendem:
Wenn ein Rechenimpuls über die Leitung i L ankommt, so wird er, wie bei Fig. i beschrieben,
den Anker i A nach rechts umlegen, wo er von der Haltespule H i gehalten wird. Gleichzeitig
wird aber derselbe Rechenimpuls über Anker i A und Leitung o LT durch Spule
JT i zurück zur anderen Seite der Stromquelle fließen. Dadurch heben sich im Übertragrelais
die Wirkungen der Spulen HT i und 7T i auf, was jedoch ohne Einfluß auf den Anker
i -T ist, da dieser nach wie vor von der Spule HT o in der linken Stellung
gehalten wird. Durch den ersten Impuls ist also nur der Anker i A des Rechenrelais
umgelegt worden, während der Anker i AT in seiner Ausgangsstellung verbleibt, denn
auch über i LT konnte kein Steuerimpuls erfolgen, der die Spule IT
o hätte erreichen,können. Nach dem ersten Impuls erfolgt ein Abreißen desselben,
so daß der Anker i A in der rechten Stellung stehenbleibt. Beim zweiten Impuls wird
er aber in der bereits beschriebenen Weise wieder nach links umgelegt. Wenn dieser
zweite Impuls ankommt, erregt er aber nicht nur die Spule J i, sondern er wird auch
über i LT,
Anker i AT, Spule JT o und zurück zur Stromquelle wirksam.
Gleichzeitig kann er aber vom Anker i AT über Leitung i Z zum Anker 2 A des
Rechenrelais der nächsthöheren Stelle fließen; er wird daher das Rechenrelais dieser
höheren Stelle um eine Einheit weiterschälten, genau so, wie es beim Relais der
ersten Stelle beschrieben worden ist. Da aber der Impuls auch über Spule JT
o fließt und damit den Einfluß der Spule HT o auf den Anker i AT aufhebt,
kann die Spüle HT i den Anker nach rechts umlegen und ihn in seiner Lage halten.
Nach zwei Impulsen hat also der Anker i A wieder seine Ausgangsstellung erreicht,
aber der Anker 2,4 der nächsthöheren Stelle ist in,die Eins-Stellung geschaltet
worden und gleichzeitig ist der Anker i AT von seiner Ausgangsstellung in die rechte
Stellung umgelegt worden, in der er sich also beim Ankommen des dritten Steuerimpulses
befindet. Dieser dritte Steuerimpuls wird nun in der beschriebenen Weise den Anker
i A des Rechenrelais wieder nach rechts in die Eins-.Stellung umlegen und gleichzeitig
wird er sich über die Leitung o LT und die Spule JT i fortpflanzen. Die Spulen
HT i und JT i heben sich wieder in ihrem Einfluß auf den Anker i AT auf, so daß
dieser unter dem Einfluß der Spule HT o nach links umgelegt wird. Wenn ein
vierter Impuls ankommt, wird der Anker i A in seine Null-Stellung zurückgeschaltet.
Aber durch diesen vierten Impuls wird, und zwar solange sich der Anker i A noch
rechts befindet, über Leitung i LT und Anker i AT auch ein Zweierübertrag-Impu'ls
über Leitung i Z zum Rechenrelais der nächsthöheren Stelle zustande kommen können.
Gleichzeitig wird derselbe Impuls durch Erregung der Spule JT o ein Umlegen
des Relaisankers i AT nach rechts veranlassen.
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Die gleiche Arbeitsweise, die im vorstehenden zwischen der ersten
,und zweiten Stelle beschrieben worden ist, findet zwischen der zweiten und dritten
sowie zwischen jeder folgenden und der nächsthöheren Stelle statt. Es ist daher
ersichtlich" d'aß sich in jeder Stelle die Darstellung von Null und Eins lediglich
durch die Lage .des Relaisankers darstellen läßt und daß auch ein gleichzeitiger
Zweierübertrag von der niedrigsten bis zur höchsten Stelle möglich ist. Der Zweierübertrag
wirkt sich über alle in Eins-Stellung befindlichen Rechenrelais und in Links-Stellung
stehenden Übertragrelais aus, bis er auf ein Rechenrelais stößt, dessen Anker A
in Null-Stellung steht. Dann 'legen sich alle Rechenrelaisanker A von der Zählerstelle
an, in der der Rechenimpuls erfolgt, bis zu dem ersten sich in Null-Stellung befindlichen
Relais um, so
daß diejenigen Stellen" die vorher auf Eins standen,
jetzt auf Null stehen, während die nächsthöhere Null@Stelle auf Eins umgelegt wird.
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Fig.3 zeigt schematisch das Schaltbild eines durch binär gelochte
Registrierkarten gesteuerten Relais-Rechners. Die Bezugszeichen sind dabei weitgehend
in Anlehnung an die vorhergehende Beschreibung gewählt, so daß sich auch aus derselben
die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig.3 ergibt. Es werden daher nur diejenigen
Abänderungen und Ergänzungen erwähnt, die die Anordnung nach Fig. 3 von den Prinzipschaltbildern
unterscheiden.
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Die Registrierkarte 17 ist in bekannter Weise nach dem binären Zahlensystem
gelocht; das am weitesten rechts befindliche Lochfeld ist die Spalte niedrigsten
Stellenwertes. In Fig. 3 ist nur eine einzige Zahl gelocht, jedoch können natürlich
auch mehrere Reihen von Zahlen vorgesehen sein. Die Karte wird in bekannter Weise
zwischen A'bfühlbürsten ii, i2" 13 und einer Kontaktplatte hindurchgeführt, wobei
die Bürste i i die Lochspalte niedrigsten Stellenwertes a'bfü'hlt. Vie Bürsten sind
derart gestaffelt angeordnet, daß die einzelnen Lochspalten nacheinander an den
Bürsten vorbeilaufen. In der .Zeichnung ist der Einfachheit halber nur ein Teil
der zur Abfühlwng einer Spalte erforderlichen Bürstenanzahl veranschaulicht. Durch
die gestaffelte Anordnung wird mit Sicherheit erreicht, daß sich ein Impuls über
alle Rechenwerkstellen hinweg bereits ,ausgewirkt hat, bevor die nächste Lochspalte
abgefühlt wirdG Beim Durchgang der Karten unter den Bürsten wird in bekannter Weise
der Kartenhebelkontakt 16 geschlossen und dadurch .die Kontaktspalte an die Stromquelle
io angeschaltet. Die Stromquelle io ist einerseits an die Hauptleitung 2o und andererseits
an die Hauptleitung 3o angeschlossen. Zwischen beiden Leitungen sind die Haltewicklungen
H o, H i und HT o, HT i angeordnet.
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Die Bürste i i ist über die Leitung i B und Abreißrelais i C mit der
Impulsleitung i L verbunden. In ähnlicher Weise ist die Bürste 12 über Leitung
2 B und Abreißrelais 2 C mit der Impulsleitung 2 L
verbunden. Wenn
infolge Vorbeiganges eines Loches an der zugeordneten Bürste ein Rechenimpuls ausgelöst
wird, fließt er über die zugeordnete Leitung L, beispielsweise Leitung i L. Da jedoch
das Relais i C sofort seinen Anker anzieht, wird die Zuleitung zu i L unterbrochen
und ein Haltestromkreis über Leitung i D zur Hauptleitung 3o der Stromquelle 'hergestellt.
Auf diese Weise wird also erreicht, daß sofort nach der Impulsgabe ein Abreißen
des Impulses erfolgt, selbst dann, wenn das Loch noch unter der Bürste ist. Erst
wenn das Loch die Bürste verläßt, wird das Relais i C stromlos und sein Anker (kann
wieder atbfallen, aber ein neuer Impuls kann dann erst von einem anderen Loch oder
einer anderen Karte ausgelöst werden. Um Rückstrom zu vermeiden, wird der Impuls
Tiber die Leitung i LT, Anker i AT nicht direkt zum Rechenrelais der nächsthöheren
Stelle geleitet, sondern es wird erst das 'Relais SR zur Weiterschaltung des Impulses
erregt, welches seinen Kontakt SK schliefet und dadurch einen Impuls über das Abreißrelais
2 C in die nächsthöhere Zählerstelle sendet. Das Relais SR fällt, durch seine Konstruktion
bedingt, etwas verzögert ab, um ein sicheres Schließen seines Kontaktes SK zu bewirken.
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Um die Einstellung des Relais-Rechners auch durch Druck oder Lochung
wiedergeben zu können, ist eine besondere Umschaltanordnung vorgesehen. Man kann
die Relaiseinstellung abfühlen und dann entweder durch ein Druckwerk je nach der
Einstellung der Relais eine \u11 oder Eins drucken, oder man kann auch eine die
Rechenwerkeinstellung wiedergebende Lochung vornehmen, indem eben die Null-Einstellung
keine Lochung, die Eins-Einstellung dagegen eine Lochung in der zugeordneten Lochspalte
erzeugt. Zum Zweck der erwähnten Umschaltung wird durch einen Umschaltnocken PK
jeder Zählerstelle die Leitung P an die Hauptleitung 2o angeschlossen, und gleichzeitig
werden die Kontakte PU, PU o und PU i nach unten umgelegt. Dadurch
werden die an den Leitungen P o und P i mit o und i angedeuteten Registrierorgane
in den Stromkreis eingeschaltet. Der Registrierimpuls kann dann von Leitung 2o,
Kontakt PK, Leitung P, dem jetzt nach unten umgelegten Kontakt PU, Leitung i L und
je nach der Stellung des Relaisankers i A über Kontakt PU o oder
PU i zu der Registriereinrichtung o oder i erfolgen. Ist die Registrierung
der Relaiseinstellung erfolgt, so werden die beschriebenen Kontakte wieder in die
gezeichnete Rechenwerkstellung zurückgestellt. Die gleiche Umstellung erfolgt natürlich
für alle Rechenrelais der anderen Rechenstellen, während die Übertragrelais mit
der Resultatregistrierung nichts zu tun haben.
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Die Wicklungen Ho und 1o sind in Fig. 3 auf einen gemeinsamen Spulenkern
io/o, die Wicklungen H i und I i auf einen gemeinsamen Spulenkern
io/i aufgebracht, zwischen denen sich der Anker i A befindet. Eine ähnliche Anordnung
ist hinsichtlich der SpuleT io/o und T io/i beimübertragrelais getroffen.
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Die äußere Ausgestaltung des Relais-Rechners geht aus den Fig. 4 bis
7 hervor. In Fig. 7 ist eine Relaisbank veranschaulicht, wobei jede Zählwerkstelle
aus einem Rechenrelais io/o bis io/i sowie dem zugehörigen Übertragrelais
T io/o bis T io/i besteht. jeder Re'laisträger Besitzt einen U-förmigen
Kern, auf dessen einem Schenkel die Spulen io/o und io%i angeordnet sind. (Die offenen
Enden der U-förmigen Kerne stehen einander gegenüber, so daß ein guter hlagnetfluß
durch den -dazwischen liegenden Relaisanker erzielt wird. Der Anker ist mit seinem
einen Ende durch ein dünnes Federbandstahlblech mit einem stromführenden Winkel
verbunden, so daß eine Lagerreibung vermieden und beim Umlegen des Ankers nur das
Trägheitsmoment desselben zu überwinden ist.
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Theoretisch ist es denkbar, die Haltewicklungen der beschriebenen
Relais durch Dauermagnete zu ersetzen. Da aber der eine Dauermagnet immer etwas
stärker sein muß als der andere, ist die für
Rechenoperationen erforderliche
unbedingte Sicherheit bei dieser Ausführung mit Dauermagneten nicht gewährleistet.
Für praktische Verhältnisse wird man daher vorzugsweise zu der beschriebenen Ausführungsform
mit Haltewicklungen greifen" obwohl auch die Ausführung als polarisiertes Relais
mit Dauermagneten in den Rahmen der Erfindung fällt.
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Im vorstehenden ist die Steuerung des Relais-Rechners durch Lochkarten
beschrieben worden, weil dadurch die hohe Rechengeschwindigkeit am besten ausgenutzt
werden kann,. Es ist aber klar, daß die Art der Einführung der Zahlenwerte in den
Relais-Rechner von untergeordneter Bedeutung ist und ebensogut durch eine Tastatur
oder gleichwertige Mittel erfolgen könnte.