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Elektronischer bi- oder multistabiler Schaltkreis
In manchen Fällen ist es wünschenswert bzw. notwendig, mechanische Schrittschaltwerke durch bedeutend rascher ansprechende und rascher schaltende elektronische, bi- oder multistabile Schaltkrei- se zu ersetzen. Solche Schaltkreise werden z. B. in bestimmten Regelsystemen, besonders in Digital-
Analog-Konvertern und Analog-Digital-Konvertern mit Magnetspeichem benötigt.
Ganz allgemein tritt jedoch bei der Funktionsnachbildung mechanischer Schrittschaltwerke durch elektronische digitale Schaltungen das Problem auf, den Zustand der Schaltung, der bei einem allfälli- gen 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
Schrittschaltwerken, die ihre Ruhestellung von selbst beibehalten, sehr beschränkt.
Die 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 Hyste- reseschleife 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 Schaltkreises herstellbar ist.
Es ist bereits bekannt, bei einer Einrichtung an bistabilen Halbleiterkippschaltungen einen sättigbaren
Transformator vorzusehen, der je nach Schaltzustand der Halbleiterkippschaltung in den einen oder andern Sättigungszustand übergeführt wird und der auf Grund der Hysterese eine der jeweiligen Ruhelage entsprechende Unsymmetrie bei Netzspannungsausfällen aufrecht erhält und nach Spannungswiederkehr den ursprünglichen Betriebszustand wieder herstellt.
Bei dieser Einrichtung kann es sich ungünstig auswirken, dass die Induktion des Transformators in der Umgebung des Remanenzpunktes eine nur geringe Abhängigkeit von der Feldstärke aufweist und daher bei Wiedereinschalten zunächst nur eine verhältnismässig kleine Induktivität zur Schaffung der erforderlichen Unsymmetrie zur Verfügung steht.
Auch bei verschiedenen andern bekannten bistabilen Kippstufen, bei denen mit Hilfe von Magnetkernen der ursprüngliche Betriebszustand nach Spannungswiederkehr wieder hergestellt wird, erfahren die Magnetkerne beim Wiedereinschalten der Betriebsspannung unabhängig von ihrem Magnetisierungszustand zunächst eine nur geringe Induktionsänderung, wobei die gewünschte Unsymmetrie erst im weiteren Verlauf des Einschaltvorganges voll wirksam wird.
Gemäss der Erfindung lässt sich der im Zeitpunkt der Abschaltung vorhandene Schaltzustand bi- oder multistabiler Schaltkreise dadurch mit besonders grosser Sicherheit wieder herstellen, dass das magnetisierbare Element nur mit Hilfe einer der Magnetisierungswicklungen im gesamten Querschnitt sättigbar und mittels der andern Wicklung nur in einem Teil des Querschnittes magnetisierbar ist, und dass wenigstens die eine, zur vollständigen Sättigung vorgesehene Magnetisierungswicklung des magnetisierbaren Elementes zur fallweisen Herstellung der Asymmetrie vorgesehen ist.
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
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werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der elektronische Schaltkreis derart ausgebildet, dass das magnetisierbare Element als Transfluxor ausgebildet ist, bei dem sich ein geschlossenes magneti- sches Joch an wenigstens einer Stelle in zwei Teiljoche aufteilt, und dass die eine Magnetisierungswick- lung 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.
Es ist ferner zweckmässig, den elektronischen Schaltkreis derart auszubilden, dass die eine Magne- tisierungswicklung als Gegenkopplungsinduktivität, besonders in die Emitterleitungen von Transistoren bistabiler oder multistabiler Multivibratoren, geschaltet ist.
Weitere Details der Erfindung sind an Hand der angeschlossenen Zeichnungen im folgenden be- schrieben. Es zeigt die Fig. l der Zeichnungen eine typische rechteckförmige Hystereseschleife, wie sie z. B. bei sogenannten Transfluxoren auftritt, von denen einer schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines mit Transistoren bestückten Multivibrators mit nur einem Speicher- element, wogegen die Fig. 4 die gleiche Schaltung, jedoch mit zwei in Gegentakt geschalteten Spei- cherelementen darstellt. Schliesslich ist aus der Fig. 5 der Aufbau eines Multivibrators mit vier stabilen
Zuständen zu ersehen, dem vier Speicher in der erfindungsgemässen Art zugeordnet sind.
Die Fig. l der Zeichnungen zeigt die Hystereseschleife eines Ferrit-Magnetkernes, der für die Impulszählung bzw. -speicherung geeignet ist. Über die Feldstärke H ist die Induktion B aufgetragen, wobei die remanenten Induktionen +Br uns-bar nahezu so gross wie die bei Sättigung auftretenden Induktionswerte sind. Bei remanenter Magnetisierung ist die Änderung dB/dH der Induktion nach der Feldstärke minimal (dB/dH min), wogegen im entmagnetisierten Zustand, also bei kleinen Induktionswerten (BO), die Änderung dB/dH (B = 0) gleich ist der Tangente an die Neukurve N im Ursprung und wesentlich grösser ist als dB/dH 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 Fig. 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 von einer kreisrunden Ausnehmung a durchbrochen, durch die die zweite als Einstellwicklung E dienende Wicklung hindurchgezogen ist, die 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 + und-angedeuteten Weise gespeist wird, so entsteht in dem das grosse Loch des Kernes A umschliessenden Ringteil die mit +Bj. bezeichnete remanente Magnetisierung und die Induktivität der Blockierwicklung B ist demnach relativ gering.
Wird danach die Einstellwicklung E in der in Fig. l mit + und-angedeuteten Weise vom Strom durchflossen, so ergibt sich eine remanente Magnetisierung-Br im inneren Kreis des Kernes A, die in der von der Einstellwicklung E umschlossenen Zone gegensinnig zu der von der Blokkierwicklung 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 dB/dH 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.
Die Wiederherstellung von Schaltzuständen bi- oder multistabiler Schaltkreise nach einem Netzausfall gemäss der Erfindung mit Hilfe eines Transfluxors in oben beschriebener Schaltung beruht auf der
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Transfluxor einzustellen, in dessen Blockierwicklung Blockierstrom 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 Fig. 3 und 4 angewendet werden, während anderseits bei einer beabsichtigten dau- ernd asymmetrischen Bemessung der Schaltung eine Verringerung der Anzahl der verwendeten Trans- fluxoren ermöglicht wird.
Es können im Rahmen der Erfindung an Stelle von Transfluxoren auch alle andern Speicherelemente verwendet werden, die prinzipiell die Eigenschaft besitzen, dass sie ihren Speicherinhalt auch ohne Zufuhr von Speiseenergie behalten, z. B. die sogenannten ferroelektrischen Speicher, bei denen 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, die bei der Wiederkehr der Speisespannung die sichere Einnahme des zuletzt eingestellten Kippzustandes bewirken. Anderseits können hiezu 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 denen 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.
PATENTANSPRÜCHE : l. Elektronischer bi-oder multistabiler 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
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ten Querschnitt sättigbar und mittels der andern Wicklung nur in einem Teil des Querschnittes magnetisierbar ist, und dass wenigstens die eine, zur vollständigen Sättigung vorgesehene Magnetisierungswicklung des magnetisierbaren Elementes zur fallweisen Herstellung der Asymmetrie vorgesehen ist.