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Binäre Impulszähleinrichtung Es sind Impulszähleinrichtungen mit einer
Anzahl von bistabilen Kippschaltungen bekannt, von denen jede zwei parallele Laststromkreise
mit in Sperrichtung beanspruchten Dioden vom starkleitenden Typ
(Schaltdioden)
in Reihe mit gleichen Widerständen besitzt, wobei jedem Laststromkreis ein vom Stromfluß
durch diesen abhängig gesteuerter Ausgangskreis zugeordnet ist und jede Schaltdiode
jeder Kippstufe einen Steuerkreis aufweist, dem Steuer- bzw. Zählimpulse zugeführt
werden. Die bekannten Zähleinrichtungen dieser Art arbeiten nach dem dekadischen
System und benötigen zur Betätigung von außen, d. h. von einer gesonderten
Quelle kommende Impulse.
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Es sind ferner nach dem dekadischen System arbeitende Impulszähleinrichtungen
mit spannungsabhängigen Indikatoren bekannt, die mit Röhren bestückt sind.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine Impulszähleinrichtung dei erstgenannten
Art, die nach dem binären System arbeitet und spannungsabhängige Indikatoren zur
Anzeiae aufweist.
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Er unterscheidet sich hierzu vom Bekannten dadurch, daß jeder Steuerkreis
zwei in Reihe liegende Kondensatoren aufweist, die mit der einen Seite der einen
Schaltdiode verbunden sind, wobei die Steuerkreiseingangsklemmen jeweils über einen
Kondensator und einen Gleichrichter mit der anderen Seite der anderen Schaltdiode
in Verbindung stehen, daß jedem Laststromkreis ein RC-Glied parallel geschaltet
und die zwischen dessen beiden Teilgliedem angeschlossene Ausgangsklemme mit der
kondensatorseitigen Klemme der Schaltdiode des jeweils anderen Laststromkreises
verbunden ist, daß parallel zu je einem mit einem Ausgangskreis verbundenen
Spannun gsteiler ein spannungsabhängiger Indikator in Reihe mit einem der betreffenden
Schaltdiode entgegengepolten Gleichrichter geschaltet ist, daß die beiden Steuerkreise
der ersten Kippstufe über je
einen von gegengeschalteten Gleichrichtern mit
einem die zu zählenden Impulse liefernden Zähleingang verbunden sind, daß die Eingänge
der folgenden Kippstufen jeweils über einen Koppelkondensator mit einem bestimmten
gleichen Ausgangskreis der vorhergehenden Kippstufe verbunden und der zugeordnete
eine Steuerkreis jeder Kippstufe an eine Bereitschafts- bzw. Nullstellsignalquelle
anschaltbar ist.
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Da die Ausgangskreise hierbei wechselseitig mit den anderen Laststromkreisen
rückgekoppelt sind, werden zur Betätigung keine von einer gesonderten Quelle herrührenden
Impulse benötigt.
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Durch die Verwendung der an sich bekannten starkleitenden Halbleiterdioden
(Schaltdioden), d. h. Dioden, die im Sperrbereich ein Gebiet negativen Widerstandes
aufweisen, lassen sich derartige Kippschaltungen für Zähleinrichtungen besonders
einfach und sicher aufbauen, und zwar lediglich aus ruhenden Teilen. Bei den genannten
Dioden verschwindet nämlich bei überschreiten einer bestimmten Größe des Stromes
und der Spannung in Sperrichtung plötzlich der Sperrwiderstand, so daß auch bei
Verringerung der Spannung auf einen kleineren Wert ein Strom in Sperrichtung fließen
kann, solange der Strom über einem bestimmten Schwellwert liegt und eine Spannung
vorhanden ist. Bei Unterschreiten dieses Schwellwertes oder Fortfall der Spannung
in Sperrichtung wird die Diode wieder gesperrt für den Strom in Sperrichtung. Diese
Wirkungsweise hat nichts mit dem Zener- oder dem Avalanche-Effekt zu tun. Das vorgenannte
Betriebsverhalten der sogenannten Schaltdiode kann beliebig oft erreicht werden.
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Solche Halbleiterdioden mit steuerbarer Durchbiuchscharakteristik
sind bereits vorgeschlagen worden und enthalten z. B. eine erste Basis aus einem
halbleitendem Element, das zur Erzeugung eines N-oder P-Halbleitertyps mit entsprechenden
Verunreinigungen versetzt ist. Auf dieser ersten Basis ist ein Emitter aufgebracht,
der aus halbleitendem Material von jeweils entgegengesetztem Halbleitertyp besteht.
Der Emitter kann aus der Legierung einer mit Verunreinigungen versetzten Pille mit
einem Plättchen vom gleichen halbleitenden Material wie die erste
Basis
bestehen. Der Anschluß an den Emitter erfolgt an der Zone zwischen der ersten Basis
und dem Emitter. Zum leichten Anschluß der Diode an einen elektrischen Stromkreis
ist vorzugsweise eine Schicht aus Silber oder anderem gut leitendem Material mit
der Oberfläche des Emitters durch Aufschmelzen, Legieren oder Löten in innige Verbindung
gebracht. Kupferdrähte können dann beispielsweise leicht mit dieser Schicht verlötet
werden. Eine zweite Basis von entgegengesetztem Halbleitertyp schließt sich an die
erste Basis an. Die Berührungszone zwischen der ersten und zweiten Basis bildet
die Kollektorverbindung. Unmittelbar auf die zweite Basis ist eine Metallmasse aufgeschmolzen,
gelötet, legiert oder sonstwie fest aufgebracht, die als Trägerquelle dient und
wesentlich das Betriebsverhalten der Diode mitbestimmt. Die Metallmasse kann elektrisch
neutral sein oder dieselben Verunreinigungszusätze wie die zweite Basis haben.
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Die Stromspannungscharakteristik einer solchen Diode ist in Fig.
3 dargestellt. Im ersten Quadranten steigt der Strom bei Erreichen einer
bestimmten Spannung in Durchlaßrichtung plötzlich steil an, so daß bei einer Spannung
von beispielsweise einer Spannungseinheit (Volt) ein Strom von annähernd drei Stromeinheiten
(Ampere) auftritt. Wenn die Spannung an der Diode umgepolt wird, so tritt bis zu
einer Spannung in Sperrichtung von beispielsweise 55 Spannungseinheiten (Volt)
praktisch kein Strom in Sperrichtung auf. Bei überschreiten der genannten Durchbruchsspannung
wird die Diode plötzlich in der Sperrichtung leitend, und die Spannung fällt annähernd
auf eine Spannungseinheit ab, wie dies im dritten Quadranten gestrichelt dargestellt
ist. So wird also die Diode plötzlich leitend und weist nur mehr einen geringen
ohmschen Widerstand in Sperrichtung auf, der einen plötzlichen Stromanstieg in Sperrichtung
auf mehrere Stromeinheiten zuläßt. Es ist dabei nur eine geringe Energie zur Aufrechterhaltung
der großen Leitfähigkeit in Sperrichtung notwendig. Durch Verminderung des Stromes
unter einen bestimmten Schwellwert bei einer Spannung unterhalb der Durchbruchsspannung
nimmt die Diode in Sperrrichtung wieder den vorherigen hohen Sperrwiderstand an.
Die Veränderung des Widerstandswertes der Diode in Sperrichtung kann beliebig oft
wiederholt werden durch passende Steuerung der Größe des Stromes und der Spannung
in Sperrichtung.
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Mittels der einfachen Kippschaltung nach der Erfindung können auf
einfache Weise Zähleinrichtungen für eine beliebige Anzahl zu zählender Impulse
geschaffen werden, wie dies nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert ist.
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Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Kippschaltung, Fig. 2 eine
aus mehreren Einheiten nach Fig. 1
aufgebaute Zähleinrichtung.
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Die in Fig. 1 gezeigte symmetrische bistabile Kippschaltung
enthält zwei parallel geschaltete, zwischen Pluspol und Erde liegende Laststromkreise
60 und 61 und zugehörige Steuerkreise 62 und 63. Der
Laststromkreis 60 besteht aus der Reihenschaltung der Widerstände
38, 32 und 18 mit der starkleitenden Halbleiterdiode (Schaltdiode)
20; der Laststromkreis 61 aus der Reihenschaltung der Widerstände
37, 31
und 19 mit der Schaltdiode 21. An die Klemme 40 zwischen den
Widerständen 38 und 32 und an Erde ist der Ausgangskreis des Laststromkreises
60 angeschlossen, der aus einem Kondensator 52 und einem Reihen,widerstand
54 besteht. An die zwischen beiden Schaltelementen angeordnete Klemme
50 ist der »Null«-Ausgang NA angeschlossen. Dem Laststromkreis
60 ist ferner noch ein Anzeigekreis zugeordnet, der aus einem Gleichrichter
36 in Reihe mit einem Indikator 34 besteht und der an den Pluspol und die
zwischen dem Widerstand 32 und der Schaltdiode 20 liegende Klemme 44 angeschlossen
ist.
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Entsprechendes gilt für den aus dem Kondensator 53 und dem
Reihenwiderstand 55 gebildeten Ausgangskreis des Laststromkreises
61 sowie dessen den Gleichrichter 35 und den Indikator 33 enthaltenden
Anzeigekreis. Der Ausgangskreis ist an Erde und die zwischen den Widerständen
37 und 31 liegende Klemme 41, der Anzeigekreis an den Pluspol und
die zwischen dem Widerstand 31 und der Schaltdiode 21 liegende Klemme 45
angeschlossen. An die Klemme 51 des Ausgangskreises 53, 55 ist der
»Eins«-Ausgang EA galvanisch angeschlossen. Die Klemme 50
ist mit der Klemme
43 und die Klemme 51 mit der Klemme 42 galvanisch verbunden.
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Dem Steuerkreis 62 werden an den Klemmen 9
und
10 (»Null«-Eingang NE) negative Eingangssignale zugeführt. Diese gelangen
einerseits über hintereinandergeschaltete Kondensatoren 12 und 14 zur Klemme 42
des Laststromkreises 60, wobei sie die Schaltdiode 20 in Sperrichtung stromdurchlässig
machen, und andererseits über den Kondensator 12 und einen Gleichrichter
17 auf die Klemme 45, wodurch die bereits sperrende Schaltdiode 21 weiter
gesperrt gehalten wird. Dem entsprechenden Steuerkreis 63 für den Laststromkreis
61 können über die Klemmen 9 und 11 (»Eins«-Eingang EE) negative
Eingangssignale zugeführt werden, die einerseits über in Reihe liegende Kondensatoren
13 und 15 an die Klemme 43 zum öffnen der Schaltdiode 21 gelangen
und andererseits über den Kondensator 13
und einen Gleichrichter
16 der Klemme 44 zugeleitet werden, wobei sie die sperrende Schaltdiode 20
weiterhin gesperrt halten.
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Die Bezeichnungen »Null«- und »Eins«- Ein- bzw. Ausgänge sind entsprechend
dem binären Charakter der beschriebenen Kippschaltung gewählt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 ist die folgende:
Bei Anlegen des Potentials an den Pluspol der Schaltung sind die Schaltdioden 20
und 21 praktisch stromundurchlässig, da die Widerstände 18. 32, 38
und
19, 31, 37 so beniessen sind, daß die an den Schaltdioden liegenden Spannungen
in Sperrichtung kleiner als die erforderlichen Durchbruchswerte sind. Es kann also
keiner der Laststromkreise 60 bzw. 61
von Strom durchflossen werden,
so daß die Spannungen an den z. B. als Gasentladungsgefäße mit Neonfüllung ausgebildeten
Indikatoren 33 und 34 nicht zum Zünden derselben ausreichen.
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Ein dem »Null«-EingangNE zugeführter negativer Steuerimpuls geht über
den Kondensator 12, den Gleichrichter 17 und die Schaltdiode 21 nach Erde
ohne Beeinflussung des Laststromkreises 61. Gleichzeitig gelangt derselbe
Steuerimpuls über die Kondensatoren 12 und 14 auf die Schaltdiode 20 und erhöht
die Spannung in Sperrichtung auf einen zum Durchbruch ausreichenden Wert. Nach öffnen
der Schaltdiode 20 nimmt der durch die Widerstände 38, 32
und 18 fließende
Strom entsprechend den gewählten Widerstandswerten stark zu. Dabei ergibt der durch
die Widerstände 38 und 32 fließende Strom einen
solchen
Spannungsabfall an diesen, daß eine Zündung des Indikators34 erfolgt und durch diesen
somit die »Null«-Stellung der Kippschaltung angezeigt wird. über den Kondensator
52 und den Widerstand 54 fließt ein Ladestrom, der nach einer durch diese
Elemente bestimmte Zeitverzögerung an dem »Null.«-Ausgang NA ein Signal hervorruft.
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Ein dem »Eins«-Eingang EE zugeführter negativer Steuerimpuls gelangt
einerseits über den Kondensator 13 und den Gleichrichter 16 auf die
Schaltdiode 20 und emiedrigt die an ihr liegende Spannung unter den Durchbruchswert,
indem das Potential der Klemme 44 gesenkt wird. Dadurch wird die Schaltdiode 20
gesperrt, so daß der Indikator 34 erlischt. Derselbe negative Steuerimpuls gelangt
über die Kondensatoren 13 und 15 auf die Schaltdiode 21 und erhöht
das Potential derselben -über den Durchbruchswert, so daß die Schaltdiode 21 stromführend
wird. Dabei fließt ein solcher Strom durch die Widerstände 37, 31 und
19, daß die Spannung an dem Indikator 33 zum Zünden desselben ausreicht,
wodurch die »Eins«-Stellung der Kippschaltung zur Anzeige gebracht wird. Durch den
Ladestrom über den Kondensator 53 und den Widerstand 55 erscheint
mit einer entsprechenden Zeitverzögerung am »Eins«-AusgangEA ein Ausgangssignal.
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Zähleinrichtung mit drei Zählstufen
70, 80, 90, die alle aus den gleichen Kippschaltungen nach Fig.
1 bestehen. Von den einzelnen Kippschaltungen der Zählstufen 70, 80
und
90 sind nur die »Null«-Eingänge NE, die »Eins«-Eingänge EE und die
»Null«-Ausgänge NA - wie angedeutet - benutzt. Die »Eins«-Ausgänge
bleiben frei.
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Die »Null«-Eingänge NE und »Eins«-Eingänge EE der Zählstufe
sind jeweils über Gleichrichter 72, 73
bzw. 82, 83 bzw. 92, 93
mit Klemmen 71, 81 bzw. 91 verbunden. Die Zählstufe 70 ist
mit der Zählstufe 80 durch einen Kopplungskondensator 75 und die Zählstufe
80 mit der Zählstufe 90 durch einen Kopplungskondensator
85 verbunden, wobei die genannten Kopplungskondensatoren jeweils zwischen
dem »Null«-Ausgang NA der vorangehenden Zählstufe und der Klemme
81. bzw. 91 der folgenden Zählstufe liegen. Der »Null«-Ausgang
NA der Zählstufe 90
stellt im Ausführungsbeispiel den Ausgang der Zähleinrichtung
dar. Die Zähleinrichtung kann durch Hinzufügen weiterer Zählstufen zur Zählung einer
größeren Zahl als acht Impulsen ausgelegt werden.
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Jedem der »Null«-Eingänge NE kann unmittelbar ein negatives
Bereitschaftssignal zugeführt werden, durch das die Zählstufen vor Beginn der eigentlichen
Zählung in die »Null«-Stellung gebracht werden. Durch die Anordnung der Gleichrichter
72 und 73
bzw. 82 und 83 bzw. 92 und
93 kann das Bereitschaftssignal nicht auf die »Eins«-EingängeEE gelangen.
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Die zu zählenden Steuerimpulse werden dann über den Zähleingang Z
der Klemme 71 und von dort dem »Null«-Eingang NE und dem »Eins«-Eingang
EE der Zählstufe 70 zugeführt. Die gleichzeitige Zuführung eines Steuerimpulses
auf beide Eingänge einer Zählstufe hat dieselbe Wirkung wie die getrennte Zuführung
bei der Kippschaltung nach Fig. 1. Unter der Annahme, daß die Zähleinrichtung
durch die genannten Bereitschaftsimpulse zur Zählung bereit gemacht sind, wird bei
Auftreten des ersten negativen Impulses an der Klemme 71 die Zählstufe
70 in die »Eins«-Stellung gebracht. Da der »Eins«-Ausgang nicht belegt ist,
werden die nachgeordneten Zählstufen dadurch unbeeinflußt bleiben. Der zweite negative
Steuerimpuls an der Klemme 71 kippt je-
doch die Zählstufe
70 in ihre »Nuff«-SteRung, und das dabei entstehende Ausgangssignal am »Null.«-Ausgang
NA gelangt über den Kopplungskondensator 75 zur Eingangsklemme
81 der Zählstufe 80
und bringt diese in die »Eins«-Steffung. Die binäre
Zähleinrichtung registriert somit eine »Null«- und eine »Eins«-Stellung, die im
binären Zahlensystem der Dezimalzahl 2 (entsprechend den zwei gegebenen Impulsen)
gleichbedeutend ist. Der dritte negative Steuerimpuls auf die Klemme 71 bringt
die Zählstufe 70 in die »Eins«-Stellung ohne die Zählstufe 80 zu beeinflussen.
Es befinden sich somit beide Zählstufen 70 und 80 in der »Eins«-Stellung,
was im binären System der Dezimalzahl 3 entspricht. In entsprechender Weise
werden durch weitere negative Steuerimpulse die einzelnen Zählstufen entsprechend
betätigt. Mit den drei dargestellten Zählstufen lassen sich auf diese Weise im Dezimalsystem
die Zahlen 1
bis 8 darstellen. Für höhere Zahlen sind dann entsprechende
zusätzliche Zählstufen vorzusehen, wobei z. B. durch Hinzufügen einer vierten Zählstufe
bis zu sechzehn Impulse gezählt werden können.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele.
So kann z. B. bei entsprechend abgeänderter Schaltung die Steuerung der Schaltdioden
auch mit Hilfe von positiven Steuerimpulsen erreicht werden. Ferner müssen nicht
alle der gezeigten Widerstände vorgesehen sein bzw. können auch noch weitere Widerstände
in den einzelnen Stromkreisen angeordnet werden, sofern die sonstige Wirkungsweise
der Erhaltung dadurch nicht beeinträchtigt wird.