DE1025010B - Magnetische Kippschaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Kippschaltung mit zwei miteinander induktiv gekoppelten Kernen aus ferromagnetischem Material mit einer parallelogrammförmigen Hystereseschleife.

Bei den bekannten magnetischen Kippschaltungen der vorgenannten Art wird diese induktive Kopplung entweder durch ein einziges Paar miteinander verbundener Wicklungen oder durch zwei getrennte Wicklungspaare bewirkt, bei denen die Wicklungen eines jeden Paares über ein in einer Richtung leitendes Element miteinander verbunden sind.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine magnetische Kippschaltung, bei der diese induktive Kopplung durch zwei getrennte Wicklungspaare erfolgt. Den bekannten Schaltungsanordnungen, die einen bistabilen Charakter haben, haftet der Nachteil an, daß die Steuerung der Schaltung unter dem Einfluß zweier Impulsreihen zu erfolgen hat, wobei jeder Impuls der einen Reihe zeitlich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der anderen Reihe liegt und die eine Impulsreihe in dem einen Kern und die andere Impulsreihe in dem anderen Kern wirksam gemacht wird. Dies erfordert entweder zwei gesonderte Impulsgeneratoren oder einen Impulsgenerator, dessen Ausgangssignal mittels einer Verteilungsschaltung abwechselnd zwei Wicklungen, die je mit einem Kern gekoppelt sind, zugeführt wird.

Die magnetische Kippschaltung nach der Erfindung hilft diesem Übelstand ab und hat außerdem den Vorteil, daß die Schaltung selbsterregend ausgebildet werden kann.

Die magnetische Kippschaltung nach der Erfindung weist das Merkmal auf, daß die Wicklungen von jedem der zwei getrennten Wicklungspaare über ein Transistor-Verstärkerelement miteinander verbunden sind und daß die Steuerung der Kippschaltung mittels eines einzigen zugleich in den beiden Kernen wirksam gemachten Stromes erfolgt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 und 3 stellen Ausführungsbeispiele von Schaltungen nach der Erfindung dar, und

Fig. 2 zeigt die Hystereseschleife eines bei einer Schaltung nach der Erfindung zur Verwendung kommenden ferromagnetischen Kernes.

Fig. 1 zeigt eine Kippschaltung nach der Erfindung, bei der Kerne aus ferromagnetischem Material mit einer parallelogrammförmigen Hystereseschleife mit 1 und 2 bezeichnet sind.

In Fig. 2 ist die Hystereseschleife eines solchen Kernes dargestellt, bei der die magnetische Induktion B als eine Funktion der magnetischen Feldstärke H aufgetragen ist. Bei H = O gibt es zwei Remanenzzustände, nämlich den Remanenzzustand B₁ und den Remänenzzustand B₂. Befindet sich der Kern in dem Zustand B₁, so wird be-

Magnetische Kippschaltung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg I₁ Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 3. November 1955

Christophorus Antonius Maria Lammerts,

Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

kanntlich einepositive impulsförrnigeFeldstärkeänderung, deren Absolutwert gleich H₁ ist, den Kern in den Zustand S₂ führen, und zugleich treten Flußänderungen auf, die über eine mit dem Kern gekoppelte Wicklung einen Spannungsimpuls erzeugen. Befindet sich der Kern in dem Zustand B_%, so wird eine negative impulsförmige Feldstärkeänderung, deren Absolutwert gleich H₁ ist, den Kern wieder in den Zustand B₁ führen, wobei ebenfalls über die mit dem Kern gekoppelte Wicklung ein Spannungsimpuls erzeugt wird.

Auf Fig. 1 zurückkommend werden hier als Verstärkerelemente zwei Transistoren 4 und 8 verwendet. Der Kernl ist mittels einer Wicklung 3 mit der Basis b des Transistors 4 gekoppelt, dessen Emitter e an Erde liegt. Der Kollektor c ist über eine mit dem Kern 2 gekoppelte Wicklung 5 mit der negativen Klemme einer Batterie 6 verbunden. Ebenfalls ist der Kern 2 mittels einer Wicklung 7 mit der Basis b des Transistors 8 gekoppelt, dessen Emitter e ebenfalls geerdet ist und dessen Kollektor c über eine mit dem Kern 1 gekoppelte Wicklung 9 ebenfalls mit der negativen Klemme der Batterie 6 verbunden ist. Die Verstärker befinden sich in diesem Fall also in B-Schaltung. Die beiden Kerne sind außerdem mittels Wicklungen 11 und 12, die im gewählten Beispiel in Reihe geschaltet sind, mit einer Stromquelle 13 verbunden.

Zunächst sei der Fall betrachtet, daß die Stromquelle 13 ein Impulsgenerator ist.

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Bekanntlich ist für jegliches ferromagnetisches Material beiden Kernen erzeugt, bewirkt, daß die beiden Kerne mit einer parallelogrammförmigen Hystereseschleife die wieder in den ursprünglichen Zustand zurückkehren. Der Zeit, die erforderlich ist, um von dem einen Remanenz- nächste Stromimpuls veranlaßt wieder eine Polaritätszustand in den anderen zu gelangen, die Kippzeit τ, eine änderung der beiden Kerne, usw. Funktion der im Kern wirksam gemachten magnetischen 5 Über jeder Wicklung 14 und 15, die mit den Kernen 1 Feldstärke H. bzw. 2 gekoppelt sind, tritt nun also unter dem Einfluß

Für eine große Anzahl Materialien wird der Zusammen- der in den Kernen 1 und 2 auftretenden Flußänderungen hang zwischen H und r für die praktisch brauchbaren eine Impulsreihe auf, deren Impulse abwechselnd positiv Werte von H durch die Formel und negativ sind. Indem die beiden Wicklungen in Reihe

ίο geschaltet werden, derart, daß die über diesen Wicklungen

τ·(Η — H_cr) = C auftretenden Spannungen summiert werden, entsteht eine

Impulsreihe, deren Amplitude das Zweifache der Amplitude

gegeben, wo C eine Konstante ist und H_er den Wert der einerübereinerderWicklungenauftretendelmpulsreiheist. magnetischen Feldstärke darstellt, unter dem überhaupt Aus dem oben Geschilderten leuchtet es ein, daß im

keine Polaritätsänderung erfolgt. 15 Anfangszustand, soll die Kippschaltung richtig wirken,

Die von der Stromquelle 13 gelieferte Impulsreihe entweder der Kern 1 sich im Zustand B₁ und der Kern 2 erzeugt nun über die beiden Wicklungen 11 und 12 sich im Zustand B₂ oder der Kern 1 sich im Zustand B₂ magnetische Felder. Wenn der Maximalwert dieser und der Kern 2 im Zustand B₁ befinden muß. Widrigen-Felder H₀ ist, sei angenommen, daß die Dauer eines falls werden die beiden Kerne unter dem Einfluß der in Impulses der Reihe kleiner als die entsprechende Zeit T₀ 20 den Kernen erzeugten magnetischen Felder ihren Zustand oder ihr höchstens gleich ist. beibehalten.

Angenommen, daß sich der Kern 1 in dem Remanenz- Um sicherzugehen, daß im Anfangszustand der Kippzustand B₁ und der Kern 2 im Remanenzzustand B₂ schaltung die Remanenzzustände der beiden Kerne verbefindet. Ein von der Stromquelle 13 stammender Impuls, schieden sind und außerdem dieser Anfangszustand immer der (in bezug auf die in der Figur gewählten Koordinaten- 25 gleich ist, ist die Schaltung entsprechend dem Ausachsen) positive magnetische Felder in den beiden Kernen führungsbeispiel nach Fig. 1 mit einem Schalter 20 vererzeugt, wird nun den Kern 1 von dem Zustand B₁ in den sehen, der vor Benutzung der Schaltung als Kipp-Zustand B₂ führen, jedoch den Kern 2 in dem Zustand B₂ schaltung in die gestrichelt dargestellte Stellung geführt lassen. Die Polaritätsänderung des Kernes 1 verursacht wird. In dieser gestrichelt dargestellten Stellung ist die aber in diesem Kern Flußänderungen, die über die 30 Batterie 6 ausgeschaltet und die Wicklung 12 in ent-Wicklungen 3 und 9 Spannungsimpulse erzeugen. gegengesetztem Sinne in den Stromkreis der Impulsin den Kollektor-Emitter-Kreisen der Transistoren 4 quelle 13 eingeschaltet. Indem die Impulsquelle einen und 8 kann nur Strom fließen, wenn die Basis negativ oder mehrere Impulse liefert, gerät (oder bleibt) der gegen Erde vorgespannt ist. Der Impuls über der Wick- Kern 1 in den Zustand B₂, der Kern 2 in den Zustand B₁. lung 9 ist also unwirksam. Der Wicklungssinn der Wick- 35 Es sei bemerkt, daß bei den Verstärkern der Schaltung lung 3 ist nun derart, daß die im Kern 1 auftretenden nach der Erfindung auch Rückkopplung anwendbar ist. Flußänderungen, die unter dem Einfluß der positiven Feld- So kann z. B. durch Anwendung positiver Rückkopplung Stärkeänderung entstehen, einen negativen Spannungs- die Amplitude der von der Stromquelle 13 gelieferten impuls auf die Basis δ des Transistors 4 drücken. Dieser Impulse unter Beibehaltung einer gleichen Kippzeit τ negative Spannungsimpuls führt seinerseits einen Strom- 40 niedriger gewählt werden, als es ohne diese positive Rückimpuls imKollektor-Emitter-Kreis desTransistors 4herbei. kopplung notwendig wäre. In der Figur sind solche Rück-Der Wicklungssinn der Wicklung 5 ist derart gewählt, kopplungskreise 21 bzw. 22 gestrichelt dargestellt, daß die vom Stromimpuls erzeugte Feldstärkeänderung Angenommen, daß die Stromquelle 13 einen Gleich-

der Feldstärkeänderung, die von dem in der Wicklung 12 strom liefert, der in den beiden Kernen positive magnefiießenden Stromimpuls unter dem Einfluß der Impuls- 45 tische Felder erzeugt, und außerdem, daß sich der Kern 1 quelle 13 erzeugt wird, entgegengesetzt gerichtet ist. Die wieder im Remanenzzustand B₁ und der Kern 2 im Transistorschaltung ist derart eingestellt, daß die resul- Remanenzzustand B₂ befindet. Unter dem Einfluß des tierende magnetische Feldstärke gerade den Kern 2 von magnetischen Feldes geht der Kern 1 wieder in den dem Remanenzzustand B₂ in den Remanenzzustand B₁ Remanenzzustand B₂ über; infolge dieses Übergangs führt. Weil der Wicklungssinn der Wicklung 7, ebenso 50 wird ein negativer Spannungsimpuls an der Basis b des wie der der Wicklung 3, derart ist, daß der Übergang von Transistors 4 wirksam gemacht, wodurch ein Stromdem Remanenzzustand B₁ in den Remanenzzustand B₂ impuls im Kollektor-Emitter-Kreis dieses Transistors einen negativen Spannungsimpuls auf die Basis b des ent- fließt. Unter dem Einfluß dieses Stromimpulses gerät der sprechenden Transistors liefert, erzeugt der Übergang Kern 2 aus dem Zustand B₂ in den Zustand B₁. Sobald von B₂ zu B₁ im Kern 2 einen positiven Spannungsimpuls 55 aber der Stromimpuls in der Wicklung 5 nicht weiter an der Basis b des Transistors 8, so daß im Kollektor- wirksam ist, treibt das von dem in der Wicklung 12 Emitter-Kreis dieses Transistors kein Strom fließen wird. fließenden Gleichstrom erzeugte Magnetfeld den Kern 2 Unter dem Einfluß des den Wicklungen 11 und 12 wieder von dem Zustand B₁ in den Zustand B₂, wodurch gelieferten Stromimpulses ist nun also der Kern 1 von dem außerdem über den Transistor 8 ein Stromimpuls in der Remanenzzustand B₁ in den Remanenzzustand B₂ und 60 Wicklung 9 erzeugt wird, die den Kern 1 von dem der Kern 2 von dem Remanenzzustand B₂ in den Rema- Zustand B₂ in den Zustand B₁ führt. Weil der Kern 1 nenzzustand B₁ übergegangen. seinerseits nach Ablauf des in der Wicklung 9 auftretenden

Wenn die Wicklung 9 den gleichen Wicklungssinn wie Stromimpulses von dem in den beiden Kernen wirksamen die Wicklung 5 hat, also einen Wicklungssinn derart, daß konstanten Magnetfeld wieder in den Zustand B₂ geführt der imKollektor-Emitter-Kreis des Transistors 8 fließende 65 wird, wiederholt sich dieser Vorgang, und die Schaltung Stromimpuls ebenfalls eine Feldstärkeänderung bewirkt, fungiert als selbsterregende Kippschaltung. Die Impulsdie der unter dem Einfluß des Stromimpulses in der Wiederholungsfrequenz der über die Wicklungen 14 und 15 Wicklung 11 entgegengesetzt ist, so leuchtet es ein, daß gelieferten Impulsreihen, deren Impulse naturgemäß ein Stromimpuls, der von der Stromquelle 13 erzeugt wieder positiv und negativ sind, wird durch den Wert des wird, die ebenfalls positive magnetische Felder in den 70 vom Gleichstrom gelieferten Magnetfeldes H₀ bestimmt.

Bestehen ζ. B. die Kerne 1 und 2 aus einem Werkstoff, für den wenigstens innerhalb bestimmter Grenzen die Beziehung

τ [H- H_er) = C

gilt, so ist also die Impulswiederholungsfrequenz der über eine Wicklung 14 oder 15 gelieferten Impulsreihe, bei einem gegebenen Wert H₀ der magnetischen Feldstärke, für ein durch eine Konstante C_7n charakterisiertes ferro-

magnetisches Material gleich

H_n Hg.

. Es sei bemerkt,

daß angesichts der Tatsache, daß die Impulse abwechselnd positiv und negativ sind, die Grundfrequenz der Reihe

TT TT

—^--—— ist. Eine Änderung von H₀ bewirkt eine 2 C_1n

Änderung dieser Impulswiederholungsfrequenz. Aus der Formel geht außerdem hervor, daß für H₀ =s H_cr die Kippschaltung keine Impulsreihe liefert.

Auch hier gilt, daß im Anfangszustand die beiden Kerne sich nicht in dem gleichen Remanenzzustand befinden dürfen. Außerdem muß in diesem Fall, soll die Schaltung richtig wirken, der Gleichstrom sprungweise eingeschaltet werden. Beim Einschalten muß ja in einem der Kerne eine hinreichend große Flußänderung auftreten, um den anderen Kern in einen anderen Zustand zu bringen. Zu diesem Zweck ist der Schalter 20 wieder vorzüglich geeignet. Zunächst wird wieder der Schalter in die gestrichelt dargestellte Stellung geführt. Der Kernl wird infolgedessen in den Zustand B₂, der Kern 2 in den Zustand B₁ geführt. Bei Betätigung des Schalters von der gestrichelt dargestellten Stellung in die mit einer ausgezogenen Linie dargestellte Stellung ändert das Magnetfeld im Kern 2 plötzlich sein Vorzeichen, wodurch die gewünschte große Flußänderung entsteht.

Liefert die Stromquelle 13 solche Impulse, deren Zeitdauer gleich ητ₀ ist, so wird also von der Kippschaltung beim Auftreten eines solchen Impulses eine Impulsreihe über die Wicklung 14 oder 15 geliefert, die aus η Impulsen

TT TT

mit einer Impulswiederholungsfrequenz —~—— be-

c_m

steht.

Es sei noch bemerkt, daß bei der Schaltung nach Fig. 1, bei der als Verstärkerelemente Transistoren zur Verwendung kommen, der Energieverbrauch der Schaltung auf die Zeitpunkte beschränkt ist, zu denen in den Basiskreisen der Transistoren ein negativer Spannungsimpuls wirksam ist.

Aus dem oben Geschilderten leuchtet es ein, daß, wenn der von der Stromquelle gelieferte Strom eine negative Feldstärke impulsförmig oder ununterbrochen in den Kernen 1 und 2 liefern würde, keine Impulse über der Wicklung 14 oder 15 auftreten werden. Diese negative Feldstärke macht ja, daß ein sich in dem Zustand B₂ befindender Kern zwar in den Zustand B₁ umkippt, aber die dabei auftretende Flußänderung bewirkt über die entsprechende, mit einer Basis des Transistors gekuppelte Wicklung einen positiven Spannungsimpuls, der aber keinen Stromimpuls in dem dem betreffenden Transistor zugeordneten Kollektor-Emitter-Kreis bewirkt.

Dies ist dagegen der Fall bei der Schaltung nach Fig. 3. Die beiden Wicklungen im Basiskreis der Transistoren sind nun mit der negativen Klemme einer Batterie 10 verbunden, so daß sich die Verstärker in A-Schaltung befinden. Die infolgedessen in den Kollektor-Emitter-Kreisen auftretenden Gleichströme werden am Durchfließen der Wicklungen 5 und 9 dadurch gehindert, daß diese Wicklungen 5 und 9 in Reihe mit den Kapazitäten 16 bzw. 17 geschaltet sind und der Gleichstrom über diese Reihenschaltungen durch die Drosselspulen 18 bzw. 19 fließt.

Gleiche Maßnahmen könnten für die ebenfalls auftretenden Basisgleichströme getroffen werden. Weil diese gegebenenfalls um einen Faktor 20 bis 30 kleiner als die in den Kollektor-Emitter-Kreisen auftretenden Gleichströme sind, können diese Maßnahmen aber unbedenklich unterbleiben.

Angenommen, daß der Wicklungssinn der Wicklungen 3, 5, 7 und 9 der gleiche wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist, so entspricht die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3, wenn die in den Kernen 1 und 2 erzeugten Magnetfelder positiv gewählt sind, der Wirkungsweise nach Fig. 1 vollkommen. Es sei bemerkt, daß der im Kern 2 auftretende Übergang von dem Zustand B₂ in den Zustand B₁ nun zwar über den Transistor 8 einen

*5 Stromimpuls durch die Wicklung 9 führt, aber weil dieser Stromimpuls ein Magnetfeld erzeugt, das das in diesem Fall zugleich auftretende Umkippen des Kernes 1 von dem Zustand B₁ in den Zustand B₂ unterstützt, ist das Auftreten dieses Stromimpulses unbedenklich. Tatsächlich handelt es sich hier um eine positive Rückkopplung.

Es ist klar, daß, wenn bei dieser Schaltung die in den Kernen 1 und 2 von dem in den Wicklungen 11 und 12 fließenden Strom erzeugten Magnetfelder negativ sind, die hierbei auftretenden positiven Spannungsimpulse in den Basiskreisen der Transistoren tatsächlich Stromimpulse in den Wicklungen 5 und 9 bewirken, und zwar Stromimpulse, deren Polarität, die der Stromimpulse entgegengesetzt ist, die auftreten, wenn die genannten Magnetfelder positiv sind. Infolgedessen vermögen diese Stromimpulse außerdem einen Übergang in den Kernen von dem Zustand JS₁ in den Zustand B₂ zu bewirken. Die Schaltung spricht nun deshalb auch auf von den in den Wicklungen 11 und 12 fließenden Strömen erzeugte negative Magnetfelder an, aber auf Kosten einer im übrigen nur geringen Anzahl zusätzlicher Teile, und außerdem ist der Energieverbrauch der Schaltung nicht weiter auf die Zeitpunkte beschränkt, zu denen ein negativer Spannungsimpuls in den Basiskreisen der Transistoren wirksam ist. Gewünschtenfalls könnte im übrigen statt mit einer Kombination einer Wicklung 5, einer Kapazität 16 und einer Drossel 18 bzw. einer Wicklung 9, einer Kapazität 17 und einer Drossel 19 mit Wicklungen 5 bzw. 9 ausgekommen werden, und die von den in diesen Wicklungen fließenden Gleichströme erzeugten magnetischen Felder werden von geeignet gewählten, entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feldern ausgeglichen, die z. B. mittels zusätzlicher Wicklungen durchfließender Gleichströme erzeugt werden können. Zur Erzeugung dieser Gleichströme kann natürlich eine der bereits vorhandenen Gleichstromquellen 6, 10 und gegebenenfalls 13 benutzt werden.

Claims (9)

PatentANSPRücHK:

1. Magnetische Kippschaltung mit zwei Kernen aus ferromagnetischem Material mit einer parallelogrammförmigen Hystereseschleife, bei der diese Kerne mittels zweier getrennter Wicklungspaare induktiv miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen eines jeden dieser Wicklungspaare über ein Transistor verstärker element miteinander verbunden sind und daß die Steuerung der Kippschaltung mittels eines einzigen in den beiden Kernen zugleich wirksam gemachten Stromes erfolgt.

2. Magnetische Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Transistorverstärkerelement in B-Schaltung befindet und ein Transistor verwendet ist, dessen Emitter an Erde liegt und dessen Basis über eine der Wicklungen eines

obenerwähnten Wicklungspaares an Erde liegt und dessen Kollektor über die andere Wicklung dieses Paares mit der negativen Klemme einer Spannungsquelle verbunden ist.

3. Magnetische Kippschaltung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das Transistorverstärkerelement sich in Α-Schaltung befindet und ein Transistor verwendet ist, dessen Emitter an Erde liegt und dessen Basis über eine der Wicklungen eines vorgenannten Wicklungspaares mit der negativen Klemme einer Spannungsquelle verbunden ist und dessen Kollektor über die andere Wicklung dieses Paares ebenfalls mit der negativen Klemme einer Spannungsquelle verbunden ist.

4. Magnetische Kippschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der im Ausgangskreis des Verstärkerelementes fließende Gleichstrom am Auftreten in der in diesem Ausgangskreis liegenden, mit einem Kern verbundenen Wicklung gehindert wird.

5. Magnetische Kippschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Kernen von dem wenigstens im Ausgangskreis des Verstärkerelementes fließenden Gleichstrom erzeugten Magnetfelder von in diesen Kernen wirksam gemachten, entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldern ausgeglichen werden.

6. Magnetische Kippschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in den beiden Kernen zugleich wirksam gemachte Steuerstrom impulsförmig ist.

7. Magnetische Kippschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer eines Impulses des Steuerstroms geringer ist oder höchstens der Zeit entspricht, die für den Übergang eines Kernes von dem einen Remanenzzustand in den anderen benötigt ist.

8. Magnetische Kippschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in den beiden Kernen zugleich wirksam gemachte Steuerstrom ein Gleichstrom ist.

9. Magnetische Kippschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung mit einem Schalter ausgerüstet ist, mit dem zugleich die Energiequellen der Verstärker unwirksam gemacht werden können und die Richtung der vom Steuerstrom in den Kernen erzeugten Magnetfelder in einem dieser Kerne umkehrbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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