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Einrichtung zum Antrieb einer Uhr Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Antrieb einer Uhr.
Im Schweizer Patent Nr.335191, welches mit dem vorliegenden Patent gleichzeitig eingereicht wurde, ist ein System zum Betrieb von Uhren beschrieben, bei welchem ein örtlich erzeugtes Wechselfeld, dessen Frequenz durch ein synchronisierendes Signal gesteuert wird, zur Steuerung eines kleinen Synchronmotors mit vorbestimmter Geschwindigkeit verwendet wird. Das niederfrequente Syn- chronisiersignal wird entweder von einem elektrischen oder magnetischen Feld gewonnen, welches durch das technische Wechselstromnetz erzeugt und dessen Frequenz (beispielsweise 60 Hz) durch ein Zeitnormal im Durchschnitt relativ konstant gehalten wird.
Gemäss einer Ausführungsmöglichkeit des oben bezeichneten Patentes ist ein batteriebetriebener niederfrequenter Oszillator vorgesehen, welcher die Spannung für den Motor erzeugt, wobei die Oszilla- torfrequenz mittels des empfangenen synchronisierenden Signals gewöhnlich auf einer Frequenz von 50 oder 60 Hz gehalten wird. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun eine Einrichtung zum Antrieb einer Uhr, wobei die Einrichtung insbesondere für diesen Zweck geeignet ist, da nicht nur eine sehr geringe Batterieenergie für ihren Antrieb benötigt wird, sondern auch deswegen, weil sie den Motor nur in einer Richtung anlaufen lässt.
Bekanntlich wird bei kleinen Synchromotoren von elektrischen Uhren entweder ein elektrisches oder ein permanentmagnetisches Feld verwendet. Um solche Motore zum Anlaufen in die vorbestimmte Richtung zu bringen, haben sich zusätzliche Spulen als brauchbar erwiesen, die das Statorfeld verändern. Obwohl diese Methode des Startens in gewöhnlichen elektrischen Uhren durchaus befriedi- gend ist, insbesondere bei elektromagnetisch erregten Feldern, ist sie für die Verwendung in den nach dem erwähnten System arbeitenden, drahtlos gesteuerten Uhren aus mehreren Gründen ungeeignet, insbesondere wegen des hohen Energieverbrauches der zusätzlichen Spulen.
Da mit der Uhr keine äussern Energiequellen verbunden sind und die primäre Energie aus Batterie entnommen werden muss, ist es von Bedeutung, dass der Energiebedarf des Uhrenmotors sowie auch des Oszillators so klein wie möglich gehalten wird.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung zeichnet sich aus durch einen Oszillator mit einem Eingangskreis, einem Ausgangskreis, der mit einem Antriebsmotor verbunden ist, einen ersten Rückkopplungskreis zwischen dem Ausgangs- und Eingangskreis, um dem Eingangskreis ein erstes Signal zu übermitteln, welches von dem Ausgangskreis kommt, durch Mittel zur Erzeugung eines zweiten Signals, dessen Frequenz durch die Geschwindigkeit des Motors bestimmt wird und durch einen zweiten Rückkopplungskreis, durch welchen das genannte zweite Signal auf den Eingangskreis übertragen wird.
Im Hinblick auf die Phasenverschiebung, das heisst die Frequenzcharakteristiken des Oszillators, die sich von der Phase der strominduzierten Rückkopplungswicklung an dem Rotor herleitet, wird die Oszillatorfrequenz vorzugsweise bei oder in der Nähe der gewünschten Betriebsfrequenz gehalten, beispielsweise bei 50 oder 60 Schwingungen/sec. Bei einer Einspeisung eines geringen 50- oder 60-Hz- Synchronisiersignals wird nun die Oszillatorfrequenz bei dieser Schwingungszahl mitgenommen. Es folgt daraus, dass, auch wenn das Synchronisiersignal durch einen zeitlichen Netzausfall ausbleibt,
der Motor mit nahezu der gleichen Geschwindigkeit weiterlaufen wird," so dass, wenn das Lichtnetz wie-
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der in Betrieb gesetzt wird und der Oszillator wieder bei 50 oder 60 Hz mitgenommen wird, keine oder eine sehr geringe Zeitabweichung aufgetreten ist.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Oszil- lators und des Motors, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Motors.
Die in Fig. 1 daröestellte Schaltung weist drei PNP-Grenzschichttransistoren 11, 12, 13 auf, von denen jeder eine Basiselektrode, einen Kollektor und einen Emitter besitzt, welche mit 21, 31, 41 bzw. 22, 32, 42 und 23, 33, 43 bezeichnet sind. Die Transistoren werden durch eine nicht dargestellte Batterie betrieben, deren positiver Anschluss mit der Masse des Gerätes verbunden ist, während das negative Ende 15 die Spannung zuführt.
Der Transistor 11 dient als Phasenumkehrstufe, wobei zwischen dem Emitter 41 und der Masse ein Widerstand 16, fernerhin ein Widerstand 17 zwischen dem Kollektor 31 und dem negativen Batte- rieanschluss vorgesehen ist. Zwei Widerstände 18 und 19 liegen in Serienschaltung zwischen dem negativen Batterieanschluss und Erde. Der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände ist mit der Basis des Transistors 11 verbunden, um diesem somit ein festes Potential zu verleihen.
Ein Paar Eingangsanschlüsse 25 und 26, welche mit der vorher erwähnten Synchronisiersignalspan- nung verbunden sind, stehen mit der Masse und der Basiselektrode 21 des Transistors 11 in leitender Verbindung. Mit dem Ausgang der Phasenumkehrstufe ist über die Kondensatoren 28 und 29 die Eingangsseite der Transistoren 12 und 13 in Verbindung, welche als Gegentakt-B-Verstärkerstufe geschaltet sind.
Im einzelnen liegen die Kondensatoren 28 und 29 zwischen dem Kollektor 31 des Transistors 11 und der Basiselektrode 22 des Transistors 12 und ausserdem zwischen dem Emitter 41 des Transistors 11 und der Basiselektrode des Transistors 13. Ferner sind an den entsprechenden Basiselektroden 22 und 23 der Transistoren 12 und 13 Dioden angeschlossen und zu einem gemeinsamen Punkt geführt, mit welchem auch die Emitterelek- troden 42 und 43 verbunden sind und welcher geerdet ist.
Es hat sich ferner als günstig herausgestellt, zwischen den beiden Basiselektroden und den Kollektoren der Transistoren 12 und 13 Kondensatoren 38 und 39 aus noch zu erläuternden Gründen vorzusehen.
Wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, wird der Motor 40 durch den Oszillator betrieben. Dieser Motor besitzt ein Paar Feldspulen 45 und 46, fernerhin ein Paar in Serie liegende Rückkopplungs- oder Kommutatorspulen 47 und 47'. Die Feldspule 45 wird durch den Transistor 12 über eine Verbin- dung zwischen einem Spulenende und dem Kollektor 32 sowie über die Verbindung des andern Spulenendes über einen Widerstand 61 mit der negativen Klemme 15 der Spannungsquelle erregt. Die Feldspule 46 wird entsprechend durch den Transistor 13 erregt, wobei wiederum ein Spulenende mit dem Kollektor 33 und das andere über einen Widerstand 62 mit der negativen Klemme 15 verbunden ist.
Die Schaltung besitzt ferner zwei Rückkopplungskreise, von denen der eine die Phasenumkehr und die V.er- stärkerstufe überbrückt und der andere die ganze Schaltung einschliesslich des Motors. Der erste Rückkopplungskreis enthält einen strombegrenzenden Widerstand 56 und einen Kopplungskondensator 57, die in Serie zwischen der Basiselektrode 21 des Transistors 11 und .einem Ende der Spule 45 liegen. Der zweite Rückkopplungskreis besteht aus einem strombegrenzenden Widerstand 65 und einem Koppelkondensator 66, die wiederum in Serie zwischen der Basiselektrode 21 des Transistors 11 und einem Ende der Rückkopplungsspule 47' liegen. Das andere Ende der Spule 47 ist mit der Spule 47 verbunden, welche ihrerseits mit dem Emitter 41 des Transistors 11 verbunden ist.
Vorzugsweise kann noch ein weiterer Rückkopplungskreis vorgesehen sein, welcher aus einem Kondensator 81 und einem Widerstand 82 besteht, die zwischen der Basis 22 des Transistors 12 und dem Verbindungspunkt des Widerstandes 62 mit dem einen Ende der Feldwicklung 46 in Serie liegen. Dieser Rückkopplungskreis besitzt die Aufgabe, den Oszillator beim ersten Einschalten zum Anschwingen zu bringen.
Der Motor 40 ist mehr im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Er enthält einen kleinen aus einem Permanentmagneten bestehenden Rotor 50, der mit einer Welle 51 starr verbunden ist. Die Welle 51 dreht ein Ritzel 52, welches mit dem Zahnrad 53 in Eingriff steht, und somit einen Teil der Übersetzung zwischen dem Motor und der Uhr (nicht gezeigt) darstellt. Da der Rotor 50 sich relativ schnell dreht (3600 Umdrehungen pro Minute bei einer Wechselspannung von 60 Hz oder 3000 Umdrehungen pro Minute bei einer Wechselspannung von 50 Hz), ist selbstverständlich ein Reduziergetriebe notwendig, welches jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt ist, um die Darstellung zu vereinfachen. Ein Joch 48, um welches die Spulen 45, 46 gewickelt sind, erzeugt für den Rotor 50 das Magnetfeld.
Ein weiteres Joch 49 ist in einem rechten Winkel gegenüber den Enden des ersten Joches vorgesehen.
An diesem Joch 49 sind die Rückkopplungsspulen 47 und 47' angeordnet, die durch die magnetische Kopplung mit dem Rotor eine Rückkopplungsspannung erzeugen, jedoch die magnetische Kopplung zwischen dem Rotor und den Feldwicklungen 45 und 46 nicht sehr stark verändern. Die Rückkopplungsspulen 47 und 47' sind, wie dargestellt, scheibenförmig ausgebildet und sitzen auf den gegen- überliegenden Armen des Joches 49. Wenn nun die Batteriespannung an den Oszillator angelegt wird,
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erzeugt dieser zunächst sehr langsame Schwingungen in der Feldspule in Form von langen Impulsen, deren Frequenz in der Grössenordnung von einer oder zwei Schwingungen pro Sekunde liegt.
Dies kommt dadurch zustande, dass zwei Wirkungen zusammentreffen; die Rückkopplungsleitungen zwischen den Verstärkerstufen und der Phasenumkehrstufe über die Kondensatoren 57 bzw. 81 bewirken Schwingungen, wie sie z. B. bei mit Vakuumröhren betriebenen Multivibratoren auftreten. Entsprechend tritt in dem Luftspalt des Eisenjoches ein niederfrequentes Feld auf, so dass der Rotor sich langsam zu drehen beginnt. Infolge der Phasenbeziehung zwischen den Rückkopplungsströmen von der Feldspule 45 und der Rückkopplungsspule 47 und 47' erfolgt die Drehung des Rotors nur in der gewünschten Richtung.
Sollte der Rotor 50 sich zunächst in die falsche Richtung drehen, das heisst in die Richtung, bei welcher die angeschlossene Uhr rückwärts laufen würde, bewirkt der Rückkopplungsstrom der Spule 47, dass der Strom der Feldspule geschwächt wird, wodurch die Schwingungen ebenfalls so lange geschwächt werden, bis der Motor stehenbleibt. Wenn hingegen der Rotor in der richtigen Richtung zu laufen beginnt, werden die Schwingungen sich gegenseitig durch die beiden Rückkopplungsströme verstärken.
Der Wert des strombegrenzenden Rückkopplungswiderstandes 65 soll im Verhältnis zu dem Widerstand 56 so klein gehalten werden, dass der Oszillator relativ starke Rückkopplungsströme über diesen Widerstand 56 erhält, und zwar in gleichem Masse, in dem sich der Strom durch den Widerstand 65 mit ansteigender Motordrehzahl ,erhöht. Dieser Tatbestand wird ferner durch die Wirkung des spannungsteilenden Widerstandes 61 unterstützt, der in Serie mit der Spule 45 liegt. Ein Anwachsen der Oszillatorfrequenz erhöht auch mehr und mehr die Ausgangsspannung des Transistors 12, die an der Feldspule 45 auftritt und verringert die Spannung an dem Widerstand 61 in gleichem Masse.
Es folgt daraus, dass die Rückkopplungsspulen 47 und 47' in erster Linie die Frequenz der Schwingung steuern, da der Rotor eine gewisse Geschwindigkeit annimmt, die Frequenz seinerseits erhöht und somit den Rotor wiederum beschleunigt, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat.
Dieses Gleichgewicht ist dann erreicht, wenn die Summe der Phasenverschiebung des Oszillators und derjenigen des in den Rückkopplungsspulen erzeugenden Stromes Null ist. Um die Gleichgewichtsgeschwindigkeit des Motors gleich zu halten, wie das synchronisierende Signal von 50 bzw. 60 Hz kann das Joch 49 leicht gedreht werden, wodurch die Phase des von den Rückkopplungsspulen kommenden Stromes verändert wird. Fernerhin kann die Gleichgewichtsgeschwindigkeit des Motors mittels der Kondensatoren 38 und 39 beeinflusst werden. Diese Kapazitäten haben die Wirkung von negativen Rückkopplungsstrecken bei der Verstärkerstufe, so dass die Phasenverschiebungscharakteristik des Verstärkers mit dem Wert dieser Kapazitäten verändert werden kann.
Bei geeigneter Wahl der Kondensatoren 38 und 39 und;oder der Stellung des Joches 49 kann die Frequenz des Oszillators bei Belastung mit dem Motor sehr nahe an die Frequenz des Lichtnetzes angepasst werden. Hierdurch wird erreicht, dass der Oszillator von der Netzfrequenz mitgenommen wird, auch wenn nur ein sehr kleines Synchronisiersignal an die Anschlussenden 25 und 26 angelegt wird.
Es können jedoch auch andere Mittel zur Steuerung der natürlichen Frequenz des Oszillators verwendet werden, wie z. B. ein eigener Phasenschieber in dem Rückkopplungskreis des Motors.