<Desc/Clms Page number 1>
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-
<Desc/Clms Page number 2>
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,
<Desc/Clms Page number 3>
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.
<Desc / Clms Page number 1>
Device for Driving a Watch The present invention relates to a device for driving a watch.
In Swiss Patent No. 335191, which was filed at the same time as the present patent, a system for operating clocks is described in which a locally generated alternating field, the frequency of which is controlled by a synchronizing signal, is used to control a small synchronous motor at a predetermined speed becomes. The low-frequency synchronization signal is obtained either from an electric or magnetic field which is generated by the technical alternating current network and whose frequency (for example 60 Hz) is kept relatively constant on average by a time standard.
According to one possible embodiment of the patent referred to above, a battery-operated low-frequency oscillator is provided which generates the voltage for the motor, the oscillator frequency being usually kept at a frequency of 50 or 60 Hz by means of the received synchronizing signal. The subject of the present invention is a device for driving a clock, the device being particularly suitable for this purpose, since not only very little battery energy is required for driving it, but also because it only starts the motor in one direction leaves.
As is known, either an electric or a permanent magnetic field is used in small synchromotors of electric clocks. In order to cause such motors to start in the predetermined direction, additional coils have proven useful, which change the stator field. Although this method of starting is quite satisfactory in ordinary electrical clocks, especially in the case of electromagnetically excited fields, it is unsuitable for use in wirelessly controlled clocks operating according to the above-mentioned system for several reasons, in particular because of the high energy consumption of the additional coils .
Since no external energy sources are connected to the clock and the primary energy has to be taken from the battery, it is important that the energy requirements of the clock motor and the oscillator are kept as low as possible.
The device according to the invention is characterized by an oscillator with an input circuit, an output circuit which is connected to a drive motor, a first feedback circuit between the output and input circuit in order to transmit a first signal to the input circuit which comes from the output circuit, by means for generating a second signal, the frequency of which is determined by the speed of the motor, and by a second feedback circuit through which said second signal is transmitted to the input circuit.
With regard to the phase shift, i.e. the frequency characteristics of the oscillator derived from the phase of the current-induced feedback winding on the rotor, the oscillator frequency is preferably kept at or near the desired operating frequency, for example at 50 or 60 oscillations / sec. If a low 50 or 60 Hz synchronization signal is fed in, the oscillator frequency is now taken along with this number of oscillations. It follows from this that, even if the synchronization signal is missing due to a temporary power failure,
the motor will continue to run at almost the same speed, "so that when the light network
<Desc / Clms Page number 2>
which is put into operation and the oscillator is driven again at 50 or 60 Hz, no or very little time deviation has occurred.
The drawing shows an example of an embodiment of the subject matter of the invention. 1 shows a schematic representation of the oscillator and the motor, FIG. 2 shows a perspective view of the motor shown in FIG.
The circuit shown in FIG. 1 has three PNP junction transistors 11, 12, 13, each of which has a base electrode, a collector and an emitter, which are designated by 21, 31, 41 and 22, 32, 42 and 23, 33, respectively , 43 are designated. The transistors are operated by a battery, not shown, whose positive connection is connected to the ground of the device, while the negative end 15 supplies the voltage.
The transistor 11 serves as a phase reversing stage, a resistor 16 being provided between the emitter 41 and the ground, and a resistor 17 being provided between the collector 31 and the negative battery connection. Two resistors 18 and 19 are connected in series between the negative battery connection and earth. The connection point of these two resistors is connected to the base of the transistor 11 in order to give it a fixed potential.
A pair of input terminals 25 and 26, which are connected to the aforementioned synchronizing signal voltage, are in conductive connection with the ground and the base electrode 21 of the transistor 11. The input side of the transistors 12 and 13, which are connected as a push-pull B amplifier stage, is connected to the output of the phase inversion stage via the capacitors 28 and 29.
In detail, the capacitors 28 and 29 are between the collector 31 of the transistor 11 and the base electrode 22 of the transistor 12 and also between the emitter 41 of the transistor 11 and the base electrode of the transistor 13. Furthermore, on the corresponding base electrodes 22 and 23 of the transistors 12 and 13 diodes are connected and led to a common point to which the emitter electrodes 42 and 43 are also connected and which is grounded.
It has also been found to be beneficial to provide capacitors 38 and 39 between the two base electrodes and the collectors of transistors 12 and 13 for reasons to be explained.
As shown schematically in Fig. 1, the motor 40 is operated by the oscillator. This motor has a pair of field coils 45 and 46 and also a pair of feedback or commutator coils 47 and 47 'in series. The field coil 45 is excited by the transistor 12 via a connection between one coil end and the collector 32 and via the connection of the other coil end via a resistor 61 to the negative terminal 15 of the voltage source. The field coil 46 is correspondingly excited by the transistor 13, one coil end again being connected to the collector 33 and the other end being connected to the negative terminal 15 via a resistor 62.
The circuit also has two feedback circuits, one of which bridges the phase reversal and the amplifier stage and the other the entire circuit including the motor. The first feedback circuit contains a current-limiting resistor 56 and a coupling capacitor 57, which are connected in series between the base electrode 21 of the transistor 11 and one end of the coil 45. The second feedback circuit consists of a current-limiting resistor 65 and a coupling capacitor 66, which in turn are connected in series between the base electrode 21 of the transistor 11 and one end of the feedback coil 47 '. The other end of the coil 47 is connected to the coil 47, which in turn is connected to the emitter 41 of the transistor 11.
A further feedback circuit can preferably be provided, which consists of a capacitor 81 and a resistor 82 which are in series between the base 22 of the transistor 12 and the connection point of the resistor 62 with one end of the field winding 46. This feedback loop has the task of causing the oscillator to oscillate when it is switched on for the first time.
The motor 40 is shown in greater detail in FIG. It contains a small rotor 50 consisting of a permanent magnet, which is rigidly connected to a shaft 51. The shaft 51 rotates a pinion 52 which meshes with the gear 53 and thus forms part of the transmission between the motor and the watch (not shown). Since the rotor 50 rotates relatively quickly (3600 revolutions per minute with an alternating voltage of 60 Hz or 3000 revolutions per minute with an alternating voltage of 50 Hz), a reduction gear is of course necessary, which, however, is not shown in the drawing to make the representation to simplify. A yoke 48, around which the coils 45, 46 are wound, generates the magnetic field for the rotor 50.
Another yoke 49 is provided at right angles to the ends of the first yoke.
The feedback coils 47 and 47 'are arranged on this yoke 49 and generate a feedback voltage through the magnetic coupling with the rotor, but do not change the magnetic coupling between the rotor and the field windings 45 and 46 very significantly. The feedback coils 47 and 47 'are, as shown, disc-shaped and sit on the opposite arms of the yoke 49. If the battery voltage is now applied to the oscillator,
<Desc / Clms Page number 3>
this initially generates very slow oscillations in the field coil in the form of long pulses, the frequency of which is in the order of magnitude of one or two oscillations per second.
This comes about because two effects coincide; the feedback lines between the amplifier stages and the phase inversion stage via the capacitors 57 and 81 cause oscillations, as they occur, for. B. occur in multivibrators operated with vacuum tubes. Correspondingly, a low-frequency field occurs in the air gap of the iron yoke so that the rotor begins to rotate slowly. Due to the phase relationship between the feedback currents from the field coil 45 and the feedback coil 47 and 47 ', the rotor will only rotate in the desired direction.
Should the rotor 50 initially rotate in the wrong direction, i.e. in the direction in which the connected clock would run backwards, the feedback current of the coil 47 causes the current of the field coil to be weakened, whereby the oscillations are also weakened for so long until the engine stops. If, on the other hand, the rotor starts to run in the correct direction, the oscillations will reinforce each other through the two feedback currents.
The value of the current-limiting feedback resistor 65 should be kept so small in relation to the resistor 56 that the oscillator receives relatively strong feedback currents through this resistor 56, to the same extent that the current through the resistor 65 increases with increasing engine speed . This fact is further supported by the action of the voltage-dividing resistor 61, which is in series with the coil 45. An increase in the oscillator frequency also increases more and more the output voltage of the transistor 12 which occurs across the field coil 45 and decreases the voltage across the resistor 61 to the same extent.
It follows from this that the feedback coils 47 and 47 'primarily control the frequency of the oscillation, since the rotor assumes a certain speed, the frequency in turn increases and thus the rotor accelerates again until equilibrium has been established.
This equilibrium is reached when the sum of the phase shift of the oscillator and that of the current generated in the feedback coils is zero. In order to keep the equilibrium speed of the motor the same as the synchronizing signal of 50 or 60 Hz, the yoke 49 can be rotated slightly, whereby the phase of the current coming from the feedback coils is changed. Furthermore, the equilibrium speed of the motor can be influenced by means of the capacitors 38 and 39. These capacitances have the effect of negative feedback paths in the amplifier stage, so that the phase shift characteristics of the amplifier can be changed with the value of these capacitances.
With a suitable choice of the capacitors 38 and 39 and; or the position of the yoke 49, the frequency of the oscillator can be adapted very closely to the frequency of the lighting network when the motor is loaded. This ensures that the oscillator is carried along by the mains frequency, even if only a very small synchronization signal is applied to the connection ends 25 and 26.
However, other means of controlling the natural frequency of the oscillator can be used, e.g. B. a separate phase shifter in the feedback loop of the motor.