-
Schieberegister, insbesondere für Achszähleinrichtungen in Eisenbahnsicherungsanlagen
Ein Schieberegister besteht aus mehreren gliedweise aneinandergereihtenbistabilen
Anordnungen, von denen jede entweder einen Zustand a oder einen Zustand
b
einnehmen kann. Wird ein Fortschaltimpuls auf das Schieberegister gegeben,
so nimmt das Glied m des Registers den Zustand an, den vorher das Glied n-1 innehatte.
Dies gilt für jedes einzelne Glied des Registers. Die Fortschaltimpulse bewirken
also, daß sich die Zustände von Glied zu Glied in einer bestimmten Richtung fortpflanzen.
-
Die Erfindung bringt eine Vervollkommnung der bekannten Schieberegister.
Erfindungsgemäß werden die Stromkreise, welche die Verschiebung des Zustandes von
Glied zu Glied bewirken, doppelt vorgesehen und so angeordnet, daß die eine Gruppe
dieser Stromkreise den Zustand in einer Richtung, die andere Gruppe den Zustand
in entgegengesetzter Richtung verschiebt. Hierbei wird die Anordnung so getroffen,
daß der Fortschaltimpuls jeweils nur eine der beiden Stromkreisgruppen wirksam werden
läßt. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, die Fortschaltrichtung der Zustände
nach Bedarf zu wählen. So kann man z. B. das Schieberegister mit zwei Eingangsklemmen
versehen. Gibt man die Fortschaltimpulse auf die eine Eingangsklemme, so verschieben
sich die Zustände in Richtung zu höheren Gliednummern hin. Gibt man die Fortschaltimpulse
hingegen auf die andere Eingangsklemme, so erfolgt die Verschiebung in umgekehrter
Richtung. Die bistabilen Anordnungen können dabei entweder aus Transistoren oder
Röhren bestehen, oder man kann an deren Stelle auch bewickelte Ringkerne benutzen,
die sich in zwei Richtungen a oder b magnetisieren lassen. Auch alle
anderen bekannten bistabilen Anordnungen eignen sich zum Aufbau der Schieberegister
gemäß der Erfindung.
-
Ein Schieberegister, bei dem sich der Zustand der Glieder wahlweise
in zwei Richtungen verschieben läßt, eignet sich insbesondere für Aufgaben des Eisenbahnsicherungswesens,
wie an einem Beispiel der Erfindung im folgenden gezeigt werden soll.
-
Fig. 1 zeigt das logische Schaltbild, Fig. 2 das zugehörige technische
Schaltbild des im folgenden beschriebenen Erfindungsbeispiels.
-
Es ist hierbei ein Schieberegister vorausgesetzt worden, das der Einfachheit
halber aus nur drei Gliedern besteht. Es ist aber ohne weiteres möglich, die Anzahl
der Glieder darüber hinaus beliebig zu erhöhen. Das Register ist ferner so aufgebaut,
daß sich an das letzte Glied 3 das Glied 1 in der gleichen Weise anschließt wie
das Glied 3 an das Glied 2 und das Glied 2 an das Glied 1, so daß eine ringförmig
in sich geschlossene Schaltungsanordnung entsteht, in der keine Stelle besonders
bevorzugt ist. Es ist ferner in dem Beispiel angenommen, daß jedes Glied einen aus
zwei Transistoren bestehenden bistabilen Kippkreis enthält. Die Glieder sind mit
den Ziffern 1, 2 und 3 bezeichnet. Der Kippkreis 10 des Gliedes 1 befindet sich
im Zustand a, dabei ist der rechte Transistor leitend und der linke gesperrt. Die
Kippkreis: 20 und 30 der Glieder 2 und 3 haben den Zustand b, in dem der rechte
Transistor gesperrt und der linke leitend ist. Jedem Transistor ist ein Mischgatter
vorgeschaltet, so z. B. das Mischgatter 25 dem rechten Transistor im Glied 2. An
jedes Mischgatter sind zwei Stromkreise zur Verschiebung des Zustandes der einzelnen
Glieder herangeführt, und zwar ein Stromkreis E 1 zur Fortschaltung nach unten und
ein Stromkreis F_2 zur Fortschaltung nach oben; der Stromkreis zur Fortschaltung
nach unten ist z. B. über das Koinzidenzgatter 21, der Stromkreis zur Fortschaltung
nach oben über das Koinzidenzgatter 22 an das Mischgatter 25 herangeführt. Jedes
dieser Koinzidenzgatter hat zwei Eingänge, von denen der eine den Fortschaltimpuls
erhält, während der andere über ein mit D bezeichnetes Verzögerungselement mit dem
Ausgang eines Transistors des Nachbargliedes in Verbindung steht.
-
Wird z. B. an den Eingang E 1 ein positiver Impuls gegeben, um den
Zustand der Glieder nach unten fortzuschieben, so tritt dieser Impuls im Glied 1
an den unteren Eingängen der Koinzidenzgatter 11 und 13 auf. An dem Gatter 13 kann
er sich nicht auswirken, da über die Leitung c von denn gesperrten rechten Transistor
des Gliedes 3 negatives Potential am oberen Eingang des Koinzidenzgatters 13 anliegt.
Der zweite
Eingang des Koinzidenzgatters 11 erhält aber über die
Leitung f vom linken leitenden Transistor des Gliedes 3 her positives Potential,
so daß der Fortschaltimpuls über das Mischgatter 15 an den rechten Transistor des
Gliedes 1 gelangt und diesen sperrt. Der bistabile Kippkreis des Gliedes 1 kippt
dadurch in die Stellung b. Auf die Nachbarglieder kann sich das Umkippen des Gliedes
1 nicht sofort auswirken, da in sämtliche Ausgänge der Transistoren Verzögerungselemente
geschaltet sind. Der Fortschaltimpuls wird im Glied 2 am Koinzidenzgatter 21 nicht
wirksam, da vom linken gesperrten Transistor des ersten Gliedes negatives Potential
anliegt. Hingegen gelangt der Fortscbaltimpuls durch das- Koinzidenzgatter 23 hindurch,
an dem vom rechten leitenden Transistor des Gliedes 1 positives Potential anliegt.
Somit gelangt der Fortschaltimpuls über das Mischgatter 26 zum linken leitenden
Transistor des Gliedes 2. Dieser Transistor wird dadurch gesperrt, und der bistabile
Kippkreis des Gliedes 2 kippt in den Zustand a. Im Glied 3 bleibt der Fortschaltimpuls
vollkommen unwirksam. Durch das Gatter 33 kann er nicht hindurch gelangen, da hier
vom Glied 2 her negatives Potential anliegt. Durch das Gatter 31 gelangt er zwar
hindurch, kann sich aber über das Mischgatter 35 nicht auswirken, da der zugehörige
rechte Transistor bereits gesperrt ist. Demnach bewirkt also der auf den Eingang
E 1 gegebene Fortschaltimpuls, daß nunmehr Glied 1 den Zustand b, Glied 2 den Zustand
a und Glied 3 den Zustand b einnimmt. Mithin haben sich sämtliche Zustände um ein
Glied nach unten verschoben.
-
Gibt man einen positiven Impuls auf die Klemme E2, so vollziehen sich
entsprechende Vorgänge, nur bewirken sie eine Verschiebung der Zustände nach oben.
Steht das Register in der in Fig. 1 gezeichneten Ausgangsstellung, so wirkt sich
der auf den Eingang E2 gegebene Impuls über das Koinzidenzgatter 12 und das Mischgatter
15 am rechten Transistor des Gliedes 1 aus und bringt den Kippkreis in die Stellung
b. Im Glied 2 bleibt der Fortschalt.impuls für die Fortsch.altrichtung nach oben
uniwirksam. Er gelangt zwar durch das Koinzidenzgatter 22 und das Mischgatter 25
hindurch, kann sich aper am rechten Transistor nicht auswirken, da dieser bereits
gesperrt ist. Im Glied 3 hingegen bewirkt der auf den Eingang E2 gegebene Impuls
eine Sperrung des linken Transistors, da an beiden Eingängen des Koinzidenzgatters
34 positive Potentiale anliegen und der Impuls somit über das Mischgatter 36 auf
den linken Transistor des Gliedes 3 gelangt. Man erkennt daraus, daß der Impuls
an der Klemme E2 Glied 1 in den Zustand b, Glied 3 in den Zustand a gebracht hat.
Die Zustände aller Glieder haben sich also um ein Glied nach oben verschoben.
-
Die beschriebene Einrichtung eignet sich besonders zur Achszählung
in Eisenbahnsicherungsanlagen. In diesen Anlagen will man feststellen, ob sich eine
von Null abweichende Achsenzahl in einem Gleisabschnitt befindet. Um dies zu erreichen,
gibt man zweckmäßigerweise bei freiem Gleis einem Glied des Schieberegisters den
Zustand a und läßt alle übrigen Glieder den Zustand b einnehmen. Fahren nun Achsen
in den Abschnitt ein, so verschiebt man mit jeder einfahrenden Achse den Zustand
a um ein Glied nach unten, mit jeder ausfahrenden Achse den Zustand a um ein Glied
nach oben. Dann ist die Nummer des Gliedes, das den Zustand a einnimmt, ein Kennzeichen
für die Zahl der im Gleisabschnitt vorhandenen Achsen. Gelangt der Zustand a wieder
in das Glied, das ihn vor dem Befahren des Gleisabschnittes einnahm, so kann das
Gleis »frei« gemeldet werden. Um bei der Inbetriebsetzung der Anlage oder nach Störungen
den Zustand »I\Tull Achsen« herstellen zu können, ist es zweckmäßig, dasjenige Mischgatter;
über das die zugehörige bistabile Anordnung in diesen Zustand gebracht wird, mit
einem besonderen Eingang R zur Herbeiführung der Nullstellung zu versehen. Gibt
man auf diese Eingänge positives Potential, so wird der daran anliegende Transistor
gesperrt, und der Kippkreis kippt in die in Fig. 1 dargestellte Ausgangsstellung,
sofern diese nicht schon vorhanden war. Wird die entgegengesetzte Nullstellung gewünscht,
so werden die Rückstelleingänge R jeweils an die anderen Mischgatter gelegt.
-
In Achszählannlagen muß das Zählvolumen der Zählvorrichtung mindestens
so groß sein wie die größte Achsenzahl, die in dem zu sichernden Gleisabschnitt
vorkommen kann. Um ein bestimmtes Zählvolumen mit einem begrenzten Aufwand an Mitteln
zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Zählvorrichtung aua mehreren gestaffelt angeordneten
Zählorganen aufzu bauen. Hierbei erhält ein nachgeordnetes Zählorgan jeweils dann
einer Zählimpuls, wenn das vorgeordnete Zählorgan sämtliche Stellungen, die es einnehmen
kann, einmal durchlaufen hat. Die Schieberegister gemäß der Erfindung können zurrt
Aufbau einer derartigen Zählvorrichtung benutzt werden; wenn man die Impulse zur
Fortschaltung des nachgeordneten Schieberegisters an geeigneten Stellen des vorgeordneten
Schieberegisters entnimmt. Derartige geeignete Stellen sind in Fig. 1 durch gestrichelte
Linien angedeutet. Die Mitnahme des nachgeordneten Schieberegisters kann bei der
Einzählung vorgenommen werden, wenn der Zustand a von Glied 1 nach Glied 2 von 2
nach 3 oder von 3 nach 1 verschoben wird; Von der letztgenannten Möglichkeit ist
in Fig. 1 Gebrauch gemacht worden. Die Verschiebung des Zustandes a von Glied 3
nach Glied 1 geschieht über den Ausgang des Koinzidenzgatters 13. An diesen Ausgang:
; ist daher die Klemme F1 angeschlossen. die den Einzähl-Impuls an das nachgeordnete
Register weiterleitet; Mit der getroffenen Wahl für den Anschluß ;der Klemme F 1
ist auch die Stelle festgelegt, an welche die Klemme F2 zur Weiterleitung des Auszäblimpulses
an das nachgeordnete Register angeschlossen werden muß. Wird nämlich der Einzählimpuls
weitergeleitet; wenn der Zustand a vom Glied 3 zum Glied 1 weitergeschoben wird,
so muß der Auszählimpuls weitergeleitet werden, wenn derselbe Vorgang in umgekehrter
Richtung vor sich geht, nämlich der Zustand a von Glied 1 nach Glied 3 verschoben
wird. Hierbei wird ein Impuls über den Ausgang des Gatters 34 an den linken Transistor
von Glied 3 geleitet: Dieser Impuls muß gleichzeitig auch über die Klemme F2 an
das nachgeordnete Register weitergegeben werden. Die Klemmen F1 und F2 können entweder
urmittelbar den Einzähl- und Auszähleingang des nachgeordneten Registers bilden
oder es können Verstärker zwischen die Klemmen und die Eingänge des nachgeordneten
Registers geschaltet werden.
-
Eine Schaltungsanordnung, die ein Fehlerkriterium liefert, wenn .eine
der bistabilen Anordnungen des Schieberegisters beim Eintreffen des Zählimpulses
nicht kippt, ist in Glied 2 angedeutet. Der eine Eingang des Koinzidenzgatters 37
ist über das Verzögerungsglied D mit dem Ausgang des Koinzidenzgatters 24 verbunden.
Dieser Eingang erhält also eine gewisse Zeit nach dem Eintreffen des Auszählimpulses,
der den Kippkreis 20 zum Umkippen bringen soll; kurzzeitig ein bestimmtes Potential.
Ein Potential gleicher Polarität liegt an dem anderen Eingang des Koinzidenzgatters
37,
solange die bistabile Anordnung nicht gekippt ist. Folgt also die Anordnung 20 dem
Zählimpuls nicht, so liegt an beiden Eingängen des Gatters 37 das gleiche Potential.
Dieses Potential tritt dann auch am Ausgang K des Koinzidenzgatters 37 auf und liefert
dort ein Fehlerkriterium.
-
In ähnlicher Weise kann man auch das Weiterschalten z. B. des benachbarten
Gliedes oder des nachgeordneten Schieberegisters von dem Umkippen einer bistabilen
Anordnung abhängig machen. So soll z. B. ein an die Klemme F20 angeschlossenes nachgeordnetes
Schieberegister bei Rückwärtszählung einen Schritt nur dann ausführen, wenn im vorgeordneten
Register die Anordnung 30 von Stellung bin Stellung a kippt. Zu diesem Zweck
wird einige Zeit nach Eintreffen des Auszählimpulses über das Verzögerungsglied
D ein bestimmtes, z. B. positives Potential an den unteren Eingang des Koinzidenzgatters
38 angelegt. Nach Umkippen des Kippkreises 30 liegt auch am oberen Eingang des Gatters
38 positives Potential, so daß auch der Ausgang von 38 positives Potential liefert,
das an die Klemme F20 und von dort an das nachgeordnete Register als Fortschaltimpuls
in Auszählrichtung weitergeleitet wird.
-
In Fig.2 wird beispielsweise dargestellt, wie die logische Schaltung
Fig.1 technisch verwirklicht werden kann. Da die Schaltungen der einzelnen Glieder
übereinstimmen, genügt es, die Schaltung z. B. des Gliedes 2 näher zu erklären.
Der bistabile Kippkreis 20 dieses Gliedes wird durch die Transistoren 213 und 214
vom Leitfähigkeitstypus pnp gebildet, deren Emitter fest an die Spannung - U 1 angeschlossen
sind. Die Kollektoren der Transistoren sind über die Widerstände 201 und 202 mit
der festen Spannung -U2 verbunden, der stärker negativ als die Spannung U 1 ist.
Ist der Transistor213 gesperrt, so fließt Strom über die Widerstände 218, 211 und
201 nach - U 2. Das Verhältnis der Widerstände zueinander ist so gewählt, daß an
der Basis des Transistors 214 ein Potential auftritt, das stärker negativ als
- LT 1 ist. Der Transistor 214 leitet daher und hat ein Kollektorpotential,
das nur wenig stärker negativ als - U 1 ist. Dieses Potential wird durch die Widerstände
212, 217 so geteilt, daß an der Basis des Transistors 213 ein Potential liegt, das
positiv gegen - U 1 ist. Damit bestätigt sich die Voraussetzung, daß 213 gesperrt
ist. Soll die bistabile Anordnung zum Kippen gebracht werden, so muß man der Basis
des Transistors 214 positives Potential zuführen. Dies kann über die Sperrzellen
207 oder 216 geschehen. Führt man einer der beiden ein positives Potential zu, so
sorgt die andere Sperrzelle dafür, daß sich dieses Potential nicht weiter über die
anderen Eingänge des Transistors auswirken kann. Die Sperrzellen 207 und 216 bilden
also das Mischgatter 26 des linken Transistors im Glied 2 der Fig. 1. Die Kippstufe
soll nun z. B. über den Eingang des Mischgatters 26, der durch die Sperrzelle 216
gebildet wird, nur zum Kippen kommen, wenn beide Eingänge des Gatters 23 in Fig.
1 positives Potential erhalten. Ist nun der Transistor 113 im Glied 1 (Fig. 2) leitend,
so liegt an seinem Kollektor ein Potential, das nur wenig niedriger ist als -L11.
Der Kollektor von 113 ist über den Widerstand 220 mit der Sperrzelle 216 verbunden.
Das Potential, das auf diese Weise der Basis des Transistors 214 zugeführt werden
kann, reicht zur Sperrung des Transistors nicht aus. Wird nun auf die Klemme E 1
ein Einzählimpuls gegeben, so entsteht an der Sekundärwicklung des Übertragers 8
kurzzeitig positives Potential (Triggerimpuls) von der Größe U3. Hierdurch gelangt
Strom über den Kondensator 222 an die Sperrzelle 216. Von, dort fließt der größte
Teil des zugeführten Stromes über diese Sperrzelle, den Kondensator 209 und den
Widerstand 201. nach -U2. Über den Widerstand 220 fließt nur ein. kleiner Teil des
vom Einzählimpuls zugeführten Stromes ab, da sich der Kollektor des Transistors
113 auf einem relativ stark positiven Potential befindet. Es stellt sich daher an
der Basis des Transistors 214 ein so stark positives Potential ein, daß der Transistor
214 gesperrt wird. Dadurch wird die bistabile Anordnung im Glied 2 zum Kippen gebracht.
Wäre der Transistor 113 gesperrt, so würde der über den Kondensator 222 zugeführte
Strom über den Widerstand 220 abfließen. Das Potential an der Sperrzelle 216 würde
dann nicht ausreichen, um die Ventilwirkung dieser Zelle zu überwinden und das Potential
der Basis des Transistors 214 zu ändern. Die bistabile Anordnung würde in diesem
Fall nicht kippen.
-
Im logischen Schaltbild (Fig. 1) ist jeder Transistor mit zwei Ausgängen
versehen. In jeden der beiden Ausgänge ist ein Verzögerungselement D geschaltet.
Es bewirkt, daß sich das Umkippen einer bistabilen Anordnung erst dann im Nachbarglied
auswirken kann, wenn der Zählimpuls, der das Umkippen bewirkt hat. abgeklungen ist.
Zur technischen Verwirklichung der Verzögerungselemente sind in Fig. 2 in die Leitungen,
die vom Ausgang eines Transistors zum Eingang eines Transistors im Nachbarglied
führen, Widerstände geschaltet. So liegt z. B. der Widerstand 320 in der Leitung
vom Kollektor des Transistors 213 zum Eingang des Transistors 314. Kippt nun das
Glied 2 von dem Zustand b in den Zustand a, weil ein Einzählirnpuls gegeben
wird, so wird der Transistor 213 leitend, und sein Kollektorpotential steigt innerhalb
sehr kurzer Zeit von annähernd -U2 auf annähernd -U1 an. Am Verbindungspunkt
des Widerstandes 320 mit der Sperrzelle 316 und dem Kondensator 322 ändert sich
das Potential auf den Wert -- U 1 nach einer Exponentialfunktion. deren Zeitkonstante
durch die elektrischen Größen des Widerstandes 320 und des Kondensators 322 gegeben
ist. Das Potential an diesem Punkterreicht daher die Größe, die im Zusammenwirken
mit dem Zählimpuls nötig ist, um den Transistor 314 zu sperren, erst zu einer Zeit,
zu welcher der Zählimpuls schon abgeklungen ist. Dadurch ist sichergestellt, daß
nur die bistabile Anordnung im Glied 2 und nicht auch noch zusätzlich die im Glied
3 durch den Einzählimpuls zum Umkippen gebracht wird.
-
Da alle übrigen Verzögerungselemente in der Schaltung entsprechend
wirken, erübrigt es sich, die bei anderen Zählvorgängen auftretenden Schaltungsabläufe
zu beschreiben.
-
Die Ausgänge der Koinzidenzgatter 13 und 34, an deren die Fort;schaltimpulse
für ein nachgeordnetes Schieberegister abgenommen werden sollen, sind im technischen
Schaltbild (Fig. 2) die Verbindungspunkte von Sperrzelle 116, Widerstand 120 und
Kondensator 122 einerseits und Widerstand 306, Kondensator 304 und Sperrzelle 308
andererseits. An diese. beiden Punkte sind daher die gestrichelten Verbindungen
zu den Klemmen F1 und F2 herangeführt.
-
Um bei der Inbetriebsetzung der Anlage oder nach Störungen das Register
in die Stellung »Null Achsen« bringen zu können, erhalten die Mischgatter 16, 25
und 35 einen Rücks,telleingang. Jeder dieser Rückstelleingänge ist mit einer Sperrzelle
versehen, die einen Bestandteil des betreffenden Mischgatters bildet. Diese Sperrzellen
sind in Fig. 2 mit 123, 223 und 323 bezeichnet.
Das'beschriebene
Schieberegister kann in Achszählanlägen in verschiedener Art und Weise verwendet
werden. Sichert die Achszählanlage einen Gleisabschnitt, an dessen Anfang und Ende
sich je eine Zählstelle befindet, über welche die ein- und ausfahrenden Achsen Impulse
für das Zählwerk erzeugen, so kann man eine einzige aus Registern gemäß der Erfindung
aufgebaute Zählvorrichtung dem Gleisabschnitt zuordnen. Alle Zählimpulse, die durch
einfahrende Achsen erzeugt werden, gleich, über welche Zählstelle die betreffenden
Achsen einfahren, werden dein Einzähleingang, sämtliche von ausfahrenden Achsen
erzeugten Impulse dem Auszähleingang zugeleitet. Ist das Gleis frei, so wird das
Register bzw. auch alle nachgeordneten Register bei gestaffelter Anordnung der Zählorgane
die Stellung »Null Achsen« einnehmen. Man braucht das Vorhandensein dieser Stellung
nur an den einzelnen Registern z. B. durch Feststellung des Kollektorpoten:tials
an einen Transistor des ersten Gliedes zu überprüfen, um danach die Freimeldung
des Gliedes zu bewirken.
-
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man jeder Zählstelle eine
aus Registern gemäß der Erfindung gebildete Zählvorrichtung zuordnet. Diese Zählvorrichtung
wird bei einfahrenden Achsen in der einen Verschieberichtung, bei ausfahrenden Achsen
in der entgegengesetzten Verschieberichtung fortgeschaltet. Ist die Achsenzahl im
Gleisabschnitt Null, so befinden sich die einzelnen Glieder der Schieberegister
bei beiden Zählvorrichtungen in übereinstimmender Stellung. Ist die Koinzidenz dieser
Stellung überprüft, so kann der Gleisabschnitt als »frei« gemeldet werden.
-
Um die Schieberegister gegen Störspannungen, z. B. Impulse, die durch
kapazitive oder induktive Kopplung auf die Eingangsleitung E 1, E 2 gelangen, unempfindlich
zu machen, ist es zweckmäßig, für die Weiterschaltung jeweils die Steuerelektronen
zu benutzen, die den geringeren Eingangswiderstand aufweisen.