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Reversibler Magnetkern-Ringzähler Die Erfindung betrifft einen magnetischen
vorwärts und rückwärts laufenden Ringzähler.
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Elektronische Zähler werden in steigendem Maße für Meß- und Steuerzwecke
verwendet. Reversible Zähler werden in der Regelungstechnik häufig zur Bildung des
Soll-Ist-Wertvergleichs benötigt.
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Zähler, die nur magnetische Bauelemente enthalten, haben eine fast
unbegrenzte Lebensdauer. Die dadurch bedingte äußerst große Zuverlässigkeit kann
beim Aufbau eines Zählers mit Transistoren nicht erreicht werden.
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Die bekannten Zähler mit Reckteckkernen bedienen sich zwar auch magnetischer
Bauelemente, sie sind jedoch nicht geeignet, größere Leistungen abzugeben, um beispielsweise
stromverbrauchende Anzeigemittel zu betätigen. Es kommt hinzu, daß sich die
magnetischen Zustände dieser Anordnungen nicht »zerstörungsfrei« auslesen lassen.
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Ein Magnetverstärker kann durch geeignte Rückkopplung zu einem bistabilen
Kippverstärker ausgebildet werden. Darauf beruht der neue reversible Magnetkern-Ringzähler,
dessen einzelne Kerne mit Primär-, Sekundär- und Rückkopplungswicklung versehen
sind, und er ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ziffer eines Zählabschnittes
ein bistabiler, aus zwei mit den Sekundär- und den Rückkopplungswicklungen verkoppelten
Magnetkernen bestehender Magnetverstärker zugeordnet ist, dessen Ausgangsspannung
am Lastwiderstand auf den Steuerkreis des in der Zählkette folgenden und des vorhergehenden
Magnetverstärkers gekoppelt ist, und daß bei Ausführung eines Zählvorganges eine
alle Magnetverstärker parallel versorgende Steuerspannung an den Sekundärwicklungen
der Magnetverstärker kurzzeitig für eine vorgegebene Zeitdauer um einen bestimmten
Betrag erhöht wird, so daß der betreffende, zur angezeigten Ziffer zugehörige Magnetverstärker
zurückkippt und die Ausgangsspannung am Lastwiderstand zur Triggerung des folgenden
bzw. vorhergehenden Magnetverstärkers durch kurzzeitige Verringerung der Steuerspannung
verwendet wird, so daß dieser Magnetverstärker kippt und der Zählvorgang ausgeführt
ist.
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Jeder Zählabschnitt, z. B. eine Zähldekade, enthält entsprechend den
möglichen Ziffern die entsprechende Anzahl von bistabilen Magnetverstärkern, die
miteinander für beide Zählrichtungen so gekoppelt sind, daß ein reversibler Ringzähler
entsteht. Bei dem neuen Zähler werden spannungssteuernde Magnetverstärker in Selbstsättigungsschaltung
verwendet, die über RÜckko - pplungswicklungen ein bistabiles Verhalten bekommen,
so daß an den einzelnen Stufen höhere Leistungen für die Betätigung von Anzeigemitteln,
Schalt::mitteln od. dgl. zur Verfügung stehen.
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Die Zeichnungen stellen Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der
Erfindung dar. Es zeigt F i g. 1 die bekannte Schaltung eines bistabilen
Magnetverstärkers in Selbstsättigungsschaltung, F i g. 2 die zugehörige Kippkennlinie,
F i g. 3 die ersten drei Stufen einer reversiblen dezimalen Zähldekade, F
i g. 4 die Schaltung des zentralen Wechselstromgenerators zum Betrieb der
Magnetverstärker, F i g. 5 das Blockschaltbild der zentralen Eingangsstufe
des Zählers.
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Die Schaltung eines spannungssteuerndenMagnetverstärkers in Selbstsättigungsschaltung
ist in F i g. 1
gezeichnet. Sie enthält zwei Kerne A und B mit rechteckförmiger
Hystereseschleife, die jeweils eine Primärwicklung NI und eine Sekundärwicklung
N, und eine Rückkopplungswicklung W,4, WB haben. Mit Hilfe zweier Schalter
SA und SB wird abwechselnd jeweils für die Zeitdauer T eine positive
Batteriespannung U, über einen Lastwiderstand RL an die Primärwicklung des
Kernes A (bzw. B) und in Serie an die Rückkopplungswicklung WB (bzw. WA)
des Kernes B (bzw. A) gelegt. Die beiden Sekundärwicklungen N2,4 und
N2 B sind über eine Steuerspannung Ec und einen Steuerwiderstand
Rc zu einem übertragungskreis in Serie geschaltet. Wird z. B. der Kein
A vom Zustand 0 (entsprechend dem negativen Remanenzpunkt
- B,) nach L magnetisiert (entsprechend + B,), so wird an der Sekundärwicklung
des Kernes A eine Spannung induziert, die den Kein B von L nach
0 magnetisiert. Entsprechend der Koerzitivkraft H, und der magnetischen Weglänge
1
der Kerne fließt am übertragungskreis ein Stafenstrom
der am Steuerwiderstand Rc einen Spannungsabfall ic - Rc bewirkt.
Auf der Primärseite fließt für n, = n. (Windungszablen der Wicklungen Nl,
N# der doppelte Strom 2 - ic, da auch der Kein A einen gleich großen
Stufenstrom zur Ummagnetisierung benötigt. Wenn A t:## T die Zeitdauer
ist, während der die Spannung 2 ic - RL an der Pri:märwicklung des
Kernes A liegt, so entstehen Flußhübe, die nur gleich sein können, wenn
ist. Wenn die Hystereseschleife der Keine ideal rechteckförmig wäre, gäbe es nur
einen definierten $teue-rspannungswert Ec 0, bei - dem eine stabile
Wechselmagnetisierung der Keine erfolgen könnte. Für EC<Eco würden die Keine
infolge der ständigen nichtkompensierten Verluste im übertragungskreis nach einem
übergangsprozeß beide bis zum stabilen ZustandL magnetisiert werden -und der Laststrom
!L auf den maximalen möglichen Wert
. ansteigen. Für Ec>Eco dagegen wurde der jeweils übertragene negative Flußhub
größer als der abgefragte positive Flußhub sein, so daß der stabile Endzustand der
wäre, daß beide Keine jeweils den maximal möglichen Flußhub ausführen. Der zeitliche
Mittelwert des Laststromes (IL) würde minimal
sein.
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Da die Hystereseschleife nicht ideal rechteckförmig ist und der Stufenstrom
infolge der zwar sehr großen, aber nicht -unendlichen Induktivität in erster Näherung
linear ansteigen muß, sind stabile Magnetisierungszustände in Umgebung des SteuerspannungswertesEco
möglich. Die Steuerkennlinie bzw. der Verlauf IL=f(Ec) wird V-förmig mit einem flachen
Abfallast und einem mehr oder weniger steilen Anstiegsast, die oben begrenzt werden
durch den Wert
.. Durch eine geeignete Rückkopplungsschaltung, wie in F ig. 1 gezeichnet,
ist es möglich, trotz der endlichen Induktivität ein bistabiles Verhalten zu erzeugen.
In Abhängigkeit von der Permeabilität des verwendeten Kernmaterials und der gewünschten
Breite der Hystereseschleife der Steuerkennlinie liegt das Verhältnis
etwa im Bereich von 1 bis 101% (w Windungszahl der Rückkopplungswicklung).
Betrachtet man die idealisierte Steuerkennlinie in F i g. 2, so sind beim
Steuerspannungswert Ec ) zwei stabile Zustände im Verhalten des gesamten
Magnetverstärkers möglich, die der Einfachheit halber auch mit L und 0 bezeichnet
werden sollen.
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F i g. 3 zeigt eine Schaltung der ersten drei Stufen eines
reversiblen dezimalen Ringzählers. Da für jede Ziffer der Dekade die gleiche Teilschaltung
verwendet wird, sind in F i g. 3 nur die ersten drei Stufen für die Ziffern
0 bis 2 gezeichnet. Im folgenden soll z. B. die Stufe 1 beschrieben
werden. Sie enthält die Kerne A und B mit den in F ig. 1 gezeichneten Wicklungen.
Der Lastwiderstand RL 'St mit einer Glühlampe zur direkten Ziffernanzeige parallel
geschaltet. Da alle Magnetverstärker der Dekade wechselseitig über die gemeinsamen
Schalter SA und SB betrieben werden sollen, sind zur Entkopplung
der einzelnen Stufen die Dioden DA und DB erforderlich, damit keine Kreisströme
infolge der induzierten Spannungen fließen können.
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F i g. 4 zeigt die Schaltung zur Erzeugung einer Rechteckspannung
und zum Betrieb der Schalter SA und SB, die wegen der höheren Schaltgeschwindigkeit
als Transistorschalter ausgeführt sind. Der linke Teil von F i g. 4 enthält
einen Kernmultivibrator mit einem rechteckmagnetischen Kein C und zwei Schalttransistoren
Tr, und Tr2. Die in einer TertiärwicklungN, induzierte Rechteckwechselspannung steuert
im Gegentakt zwei Schalttransistoren Tr3 und Tr4, die an Stelle der Schalter
SA und SB verwendet werden. Es hängt von dem gesamten Strombedarf
einer Dekade und von der Anzahl der für den Zähler vorgesehenen Dekaden ab, ob an
zentraler Stelle die beiden Schalttransistoren Tr. und Tr4 den gesamten Zählerstrom
schalten können oder ob für die Dekade getrennt jeweils zwei Schalttransistoren
vorgesehen werden müssen, die dann zentral von dem Kemmultivibrator gesteuert
werden können. Da jeweils neun Magnetverstärker einer Dekade im Zustand
0 sind und nur in einer Stufe der Laststrom fließt, ist der Strombedarf einer
Dekade:
In RL ist auch der Widerstand der als Anzeigemittel dienenden Glühlampe
G einzubeziehen.
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Wegen der reversiblen Zählmöglichkeit ist bei dem Ringzähler gemäß
F i g. 3 an Stelle des Steuerwiderstandes Rc eine Parallelschaltung von zwei
Steuerwiderständen vorgesehen, einem Steuerwiderstand Rcv für das Vorwärtszählen
und einem Steuerwiderstan#RcR für das Rückwärtszählen. Ferner ist ein gemeinsamer
Steuervorwiderstand rc vorhanden. Die Enden der Widerstände Rcv sind mit dem Anschlußpunkt
Pv und die der Widerstände Rcp mit dem Anschlußpunkt PR verbunden. Die DiodenDv
und DR sind wie die Dioden DA und DB zur Entkopplung erforderlich, damit
in den Steuerkreisen keine Kreisströme fließen.
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An zentraler Stelle steht eine Eingangsstufe des Zählers nach F i
g. 5. Eine bistabile Kippstufe FF wird durch Zählimpulse am Vorwärtseingang
V nach L und durch Zählimpulse am Rückwärtseingang R nach 0 gestellt. Entsprechend
der Stellung der Kippstufe werden zwei von ihr gesteuerte Schalttransistoren Tr..
und Tr. leitend, so daß beim Vorwürtszählen der Anschlußpunkt Pv und beim Rückwärtszählen
der Punkt PR mit Masse verbunden sind. Die Zählimpulse am Eingangspunkt Y bzw. R
in F i g. 5 steuern ferner einen Schalttransistor TrI, der den Widerstand
rc während der Zählimpulszeit überbrückt, so daß die Steuerspannungen aller Stufen
vom Wert Ec , auf den Betriebsspannungswert UO erhöht werden.
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Im folgenden soll ein Zählvorgang an Hand der F i g. 3 erläutert
werden. Es sei angenommen, daß z. B. die Stufe 1 im Zustand L sei, entsprechend
leuchtet die Glühlampe G, die der Ziffer 1 zugeordnet ist. Gemäß der
Stellung der Kippstufe FF in Vorwärtszählrichtung z. B. sei der Punkt Pv mit Masse
verbunden. Die in den übertragungskreisen
der Magnetverstärker fließenden
Steuerströme ic erzeugen am Widerstand re einen Spannungsabfall U, = (9
ic + iG') - rc.
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Der Strom ic' ist der im übertragungskreis der Stufe 1 fließende
Strom, der gegeben ist durch die Beziehung:
Daraus folgt:
Infolge des gemeinsamen Widerstandes rc entsteht eine Steuerspannung EC = UO
- Ur die für alle Magnetverstärker gleich ist. Damit zwei stabile
Zustände ermöglicht werden, muß Ec gleich Ec 0 sein (s. F i g. 1).
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Ein Vorwärts- oder Rückwärtszählimpuls schließt den Transistor Tr,
als Schalter. Damit wird der Widerstand rc überbrückt, und die Steuerspannung springt
für die Zählimpulsdauer vom Wert EC auf den Wert U, > Ec. Dieses hat
zur Folge, gemäß der Steuerkennlinie in F i g. 2, daß der Magnetverstärker
der Stufe 1 nach 0 kippt. Der Laststrom IL der übrigen Stufen erhöht
sich während dieser Zählimpulsdauer nur wenig, da der linke Ast der Steuerkennlinie
nur leicht ansteigt bei Vergrößerung von Ec.
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Infolge des überganges der Stufe 1 von L nach 0
wird
der Laststrom kleiner, und die Lastspannung UL (s. F i g. 3, Stufe
1) steigt etwa von Null auf den Wert UO - 2 ic - RL
an. Der Anstieg dieser Lastspannung wird differenziert und zur Steuerung der benachbarten
Stufen verwendet. Damit beim Vorwärtszählen die Stufe 2 bzw. beim Rückwärtszählen
die Stufe 0 nach L kippt, muß die Steuerspannung EC der Stufe 2 bzw. der
Stufe 0 verringert werden. Dieses geschieht in der Weise, daß die Lastspannung
UL über eine Kapazität CV an den Verbindungspunkt der Diode DV und des Widerstandes
Rcv der folgenden Stufe und in gleicher Weise über eine Kapazität Cg an den Verbindungspunkt
der Diode DR und des Widerstandes ReR der vorhergehenden Stufe gekoppelt wird. Da
beim Vorwärtszählen der Punkt Pv geerdet ist, erzeugt der Anstieg der Lastspannung
UL der Stufe 1 einen Spannungsimpuls am Widerstand Rcv der Stufe 2, der die
Steuerspannung verkleinert, so daß die Stufe 2 in den Zustand L kippt. Beim Rückwärtszählen
würde, da der Punkt PR geerdet wäre, die Stufe 0 entsprechend nach L kippen.
Da der Anstieg der Lastspannung UL nicht kontinuierlich, sondern infolge des übergangs
vom Zustand L nach 0 intermittierend unterbrochen erfolgt, erweist es sich
als vorteilhaft, wenn statt der einfachen CR-Kopplung noch eine Induktivität L (s.
F i g. 3) in Reihe geschaltet wird, so daß ein Bandpaß entsteht, der die
hohen Frequenzanteile sperrt und aus dem Anstieg einen Impuls formt, dessen Abfall
steiler erfolgt, so daß die maximale Zählfrequenz größer wird.
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C Zu erwähnen bleibt noch die Kopplung mehrerer Dekaden innerhalb
eines Zählers. Die Anschlußpunkte G#4, Gs und Pv, PR aller Dekaden können,
wie erwähnt, untereinander und mit den zentralen Schaltungen nach F i
g. 4 und 5 verbunden werden, vorausgesetzt, die Schalttransistoren
Tr. bis Tr. können die erforderlichen Ströme schalten. Dagegen ist für jede Dekade
gesondert der Schalttransistor zur überbrückung des Vorwiderstandes re vorgesehen.
Bei der ersten Dekade wird der Transistor Tr, direkt von den Zählimpulsen am Eingang
V bzw. R der Schaltung nach F i g. 5 gesteuert. Der entsprechende Schalttransistor
Trlj der zweiten Dekade wird nur dann leitend, wenn die erste Dekade die Ziffer
9 anzeigt und ein Vorwärtsimpuls kommt und wenn die erste Dekade die Ziffer
0 anzeigt und ein Rückwärtsimpuls kommt. Die Steuerung des Transistors Trlj
erfolgt also über zwei Torschaltungen, die die Lastspannungen UL # bzw. UL
0 und die Zählimpulse am Eingang Y bzw.'R zur Konjunktion bringen.
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Zur Steuerung des Transistors Tr,1, der dritten Dekade sind in entsprechender
Weise die Signale UL 9
und UL 90 mit dem Vorwärtszählimpuls
bzw. die Signale UL , und UL 00 mit dem Rückwärtszählimpuls über UND-Schaltungen
logisch zu verknüpfen. Bei dieser Art der Dekadenkopplung, die der Einfachheit halber
zeichnerisch nicht näher erläutert wurde, gibt es z. B. beim übergang von
999 nach 1000 keine Verzögerungszeiten, die auftreten würden, wenn
eine Dekade beim übergang von 9 nach 0 bzw. von 0
nach
9 die nächste bzw. vorhergehende Dekade triggern müßte. Die Zeitdauer, in
der ein Zählvorgang ausgeführt wird, bleibt also unabhängig von der Anzahl der Dekaden
des Zählers konstant.
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Die Möglichkeit zum Voreinstellen des Zählers soll im folgenden erörtert
werden. Zeigt der Zähler irgendeine Ziffernfolge an, so kann das Löschen des Zählerinhalts
auf einfache Weise damit erfolgen, daß die Steuerspannungen in allen Stufen erhöht
werden. Dazu sind die Schalttransistoren der einzelnen Dekaden zur überbrückung
des Steuervorwiderstandes rc kurzzeitig zu schließen. Das Einstellen der gewünschten
Ziffern erfolgt anschließend, indem eine positive Spannung an jeweils einen Eingang
EO bis Eg der Dekade (s. F i g. 3) gelegt wird, so daß die Steuerspannung
der betreffenden Stufe über den Kondensator CE kurzzeitig verringert wird, und der
Magnetverstärker in den Zustand L kippt.