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Elektrische Uhr mit Rückkopplungsschaltung mittels Halbleiterbauelement Es sind bei elektrischen Uhren mechanische Schwingungsgebilde, insbesondere Pendel- und Unruh- anordnungen, bekannt, bei denen der Schwinger aus einem Magneten, beispielsweise Permanentmagneten, besteht, der durch kontaktlose Beeinflussung eines elektrischen Kreises, beispielsweise einer Spule, in diesem elektrische Impulse erzeugt, die mittels einer Röhren- oder steuerbaren Halbleiteranordnung, insbesondere Tran.sistorenanordnung, Rückkopplungsimpulse in einem zweiten entsprechenden elektrischen Kreis erzeugen, durch die der Schwinger einen ständigen periodischen Antrieb erfährt.
Die kontaktlose Steuerung erfolgt meistens mittels zweier Induktionsspulen, nämlich einer Steuerspule, in der durch den schwingenden Magneten elektrische Impulse erzeugt werden, und einer Antriebsspule, die Antriebsimpulse auf den schwingenden Magneten ausübt. Bei einer Transistor-Rückkopplungsschaltung liegt die Steuerspule im allgemeinen im Emitterkreis, während die Antriebsspule im Kollektorkreis angeordnet ist. Ausserdem liegt im Emitter-Kollektorkreis eine elektrische Spannungsquelle, beispielsweise eine Batterie, welche die Energie zur Aufrechterhaltung der mechanischen Schwingungen liefert.
Die Erfindung betrifft eine solche elektrische Uhr mit Rückkopplungsschaltüffig mittels Halbleiterbauelement, das mit einer in seinem Eingang liegenden Steuerspule und einer in seinem Ausgang liegenden Antriebsspule eine elektronische Schaltung bildet, bei welcher Uhr ein elektrisch angetriebener mechanischer Schwinger periodische Webhselwirkungen zwischen einem Magneten und beiden Spulen bedingt. Ihr liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu finden, bei welcher zum Beispiel der an sich bekannte Pendel- oder Umschaltantrieb durch Transistoren oder andere Halbleiter-Bauelemente stabilisiert wird.
Dabei kommt es auch darauf an, zur grösstmöglichen Schonung der Speisebatterie die Induktionsspulenanordnung derart auszubilden, dass die elektronische Steuerungsanordnung mit einem möglichst guten Nutzeffekt arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss erreicht durch eine derart eng benachbarte Anordnung der Induktionsspulen und durch eine derartige Zuordnung eines elektrischen Entkopplungsgliedes zu diesen, dass bei periodischer Wechselwirkung beider Spulen mit stets dem gleichen Pol des Magneten die mechanischen Schwingungen des mechanischen Schwingers und die elektrischen Schwingungen der elektronischen Schaltung stabilisiert sind.
Die Wirkung, die diese Anordnung hervorbringt, besteht im besonderen darin, dass der Magnet in der maximalen Geschwindigkeit zum Beispiel dies Pendels in der Steuerspule einen Stromimpuls induziert, der, im Transistor stromverstärkt, auf die Antriebsspule übertragen wird, deren magnetisches Feld den Magneten anzieht und so das Pendel antreibt. Diese Art der Verstärkung hat den grossen Vorteil, dass die Speisebatterie denkbar sparsam in Anspruch genommen, also minimal entladen wird.
Weiter hat sich die Schaltung als vorteilhaft insofern ausgewirkt, als auch bei Transport und längerer Lagerung eine Unterbrechung der Schaltung nicht notwendig ist; .beträgt doch der Ruhestrom nur wenige Mikroampere. Der Ruhestrom hat den Vorteil, dass er den Transistor und die Speisebatterie dauernd in Bereitschaft hält.
Ferner kann parallel zur Antriebsspule ein Widerstand in der Grössenordnung von 5 bis 10 Kiloohm angeordnet sein. Dieser Parallelwiderstand wirkt sich deshalb stabilisierend auf die Wirkungsweise des Transistors aus, weil er die nötige Entkopplung zwischen Steuer- und Antriebsspule bringt und auch ein Schwingen des Transistors unterdrückt.
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Schliesslich lässt sich mit der Erfindung auch eine günstige räumliche Anordnung der einzelnen Teile zueinander erzielen.
Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert: Fig. 1 zeigt .schematisch eine Schaltung des elektronischen Antriebes für als Pendeluhren ausgebildete Uhren nach der Erfindung; Fig.2 schematisch die Ausbildung des Pendels mit der Anordnung des elektronischen Antriebsaggregates in Vorderansicht; Fig. 3 ist die zugehörige Seitenansicht. Die Fig.4 und 5 stellen zwei weitere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar, und die Fig. 6 bis 9 zeigen Ausführungsbeispiele von Spulenkörpern für die Induktionsspulen.
Im einzelnen ist 1 ein Transistor, der in der üblichen Weise aus der Basis 1', dem Emit- ter 1" und dem Kollektor 1"' besteht. Mit 2 ist die Steuerspule bezeichnet, die im Eingangskreis, also zwischen der Basis 1' und dem Emitter 1" liegt, während die Impuls- oder Antriebsspule 3 im Ausgangskreis, also zwischen Emitter 1" und Kollektor 1"', angeordnet ist.
Da bei der erfindungsgemässen Uhr der Transistor als Verstärker wirkt, ist eine Speisebatterie 4 in den Ausgangskreis eingeschaltet. Für diese Speisebatterie, die eine Dauerspannung von 1,5 Volt zu liefern hat, kommen in erster Linie Luftsauerstoffelemente in Betracht, die, wie sich gezeigt hat, die Uhren durch Jahre hindurch in Gang halten können.
Ferner ist in Fig. 1 ein Widerstand 5 vorhanden, der die nötige Entkopplung bringt und gleichzeitig auch das Schwingen des Transistorkreises unterdrückt. Zu diesem Zweck hat dieser Widerstand etwa 5 bis 10 Kiloohm.
An Stelle des Widerstandes 5 kann auch, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist, zwischen Eingangsund Ausgangskreis des Transistors in einem Kondensator 6 eine Gegenkopplung geschaffen werden. Dieser Kondensator hat eine Grösse von etwa 2000 bis 10 000 pF.
Diese Schaltung erhält nun eine besonders günstige bauliche Ausgestaltung gemäss Fig. 2, in welcher das im Punkt M aufgehängte Pendel mit Pendelstange 7 und Bügel 8 schematisch angedeutet ist. Wie ersichtlich, ist in den Bügel 8 ein Querstab 9 eingespannt, der eine Bohrung zur Aufnahme des Stabmagneten 10 besitzt.
Wesentlich für die Anordnung gemäss Fig.2 ist nun, dass auf der Seite, auf der sich der Magnet 10 befindet, um ihn herum die Impulsspule 11 angeordnet ist, links von ihr befindet sich dicht benachbart die Steuerspule 12.
Auf dem gleichen Spulenkörper 13 können ausser der Impulsspule 11 und der Steuerspule 12 noch der Transistor 1 sowie der Widerstand 5 angeordnet werden.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es hat sich vielmehr gezeigt, dass sich sowohl durch die Wicklungsart der Spulen als auch durch die gegenseitige Kopplung nicht nur der energetische Wirkungsgrad der Anordnung, sondern auch die Abhängigkeit des Schwingers von Unregelmässigkeiten des elektrischen Aufbaues, zum Beispiel von Spannungsschwankungen oder Temperaturkoeffizienten des Übertragungsorgans, insbesondere Transistors, noch weiter günstig beeinflussen lässt.
Diese Erkenntnis kann bei der Konstruktion der Spulenanordnung dadurch nutzbar gemacht werden, dass die Spulen derart durch von der Lagenwicklung abweichende Wicklungsart oder durch ihre Kopplung miteinander oder durch beide Massnahmen gleichzeitig in ihren Erregungsphasen einander angeglichen sind, dass Ein- und Ausgangskreis des Transistors eine möglichst geringe Phasendifferenz aufweisen.
Dies lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass mindestens eine der Spulen und/oder der Magnet derart verschiebbar und justierbar angeordnet sind, dass der Zeitpunkt der Impulsanstiege auf ein Optimum eingestellt werden kann. Hierdurch lässt sich ein grösstmöglicher Wirkungsgrad der elektrischen Rückkopplung bei geringster Leistungsentnahme aus der Spannungsquelle, insbesondere einer Batterie, einstellen.
Des weiteren ist es zweckmässig, mindestens eine Spule zwecks Herabsetzung der Spulenkapazität und Verminderung der Schwingneigung des elektrischen Kreises mit Kreuzwicklung auszubilden.
Die erfindungsgemässe Anordnung der Induktionsspulen, die zusammen mit einem elektrischen Entkopplungsglied die Schwingungen stabilisieren soll, kann durch eine enge Kopplung von Steuer- und Antriebsspule erzielt werden. Die enge Kopplung bietet den Vorteil, dass wohl definierte scharfe Rechteckimpulse entstehen. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die eine Spule koaxial auf der andern angeordnet wird, wobei sie sich ganz oder teilweise über deren Länge erstreckt. Überraschenderweise werden bei einer derart engen Kopplung Temperatur- undSpannungsschwankungen der Schaltungsanordnung derart weitgehend ausgeglichen, dass eine erheblich grössere Ganggenauigkeit des Schwingungsgebildes resultiert. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Antriebsspule aussen und die Steuerspule innen angeordnet ist.
Wenn umgekehrt die Steuerspule aussen angeordnet ist, ergibt sich ein besonders günstiger Wirkungsgrad in energetischer Hinsicht, während die Temperaturabhängigkeit nicht so weitgehend ist wie im andern Fall, so dass die bereits vorgeschlagene Anordnung eines Kompensationsheissleiters oder sonstigen Temperaturkorrektors hierbei zweckmässig wäre.
Ein Kompromiss zwischen den beiden erwähnten Koaxialanordnungen besteht darin, dass die Lagen beider Spulen abwechselnd ineinandergewickelt sind. Gegebenenfalls können auch bei der Koaxialanord- nung oder bei der Ineinanderwicklung von der Lagenwicklung abweichende Wicklungsarten, insbesondere Kreuzwicklung, angewendet werden.
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Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen zwei besondere Möglichkeiten der Spulenausbildung für Pendeluhren.
In Fig. 4 bedeutet 2 wieder die Steuerspule und 3 die Antriebsspule einer Pendelanordnung, die auch sonst mit den gleichen Bezeichnungen versehen ist wie in den Fig. 1 und z. Beim neuen Ausführungsbeispiel sind jedoch die beiden Spulen 2 und 3 als Kreuzwicklungen ausgeführt, wodurch eine wesentliche Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades und gleichzeitig eine sehr erhebliche Vergrösserung der Ganggenauigkeit des Pendels erreicht wird.
Die Ausführungsform nach Fig.5 unterscheidet sich von der nach Fig.2 dadurch, dass die beiden Spulen 12 und 11 nicht nebeneinander, sondern koaxial aufeinander angeordnet sind; und zwar sind sie ungefähr in der Pendelruhelage - ein wenig unsymmetrisch zu dieser - angeordnet. Beide Spulen besitzen die gleiche Länge von etwa einer solchen räumlichen Bemessung, dass das Verhältnis von Länge zu Durchmesser etwa 5 beträgt. Da nämlich der Iso- chronismus der beiden Spulen, der durch die Impulsschärfe gegeben ist, am grössten ist, wenn die Spulen möglichst kurz sind, und anderseits der Wirkungsgrad um so besser wird, je länger die Spulen sind, muss zwischen beiden Forderungen ein optimaler Kompromiss gesucht werden.
Aus diesem Grunde sollte das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Spulen etwa zwischen 1,5:1 und 10:1 liegen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Ausführungsbeispiele in mannigfacher Weise abgeändert werden können. An Stelle des Transistors können beispielsweise andere schaltende und/oder verstärkende steuerbare Halbleiteranordnungen treten. Das Pendel kann durch eine Unruh oder dergleichen ersetzt sein. Es können mehrere Spulen vorhanden sein. So kann zum Beispiel in Fig.4 an jedem Ende des Magneten eine Doppelspule der koaxialen Art gemäss Fig.5 vorgesehen sein, die an zwei verschiedene Transistoranordnungen oder an eine gemeinsame Transistoranordnung geschaltet sind.
Schliesslich sind noch in den Fig. 6 bis 9 besonders zweckmässige beispielsweise Ausgestaltungen von Spulenkörpern 13 veranschaulicht, wie an sich schon in den Fig.2, 3 angedeutet sind. Fig.6 zeigt einen Kreisquerschnitt entsprechend der Fig.3; die Fig.8 zeigt einen Längsschnitt, während die Fig.7 und 9 zwei um 180 gedrehte Seitenansichten darstellen. Der Spulenkörper dient gemäss dem Beispiel gleichzeitig als Träger des Transistors und des Widerstandes in einer Ausführungsform, bei der die Halterung des Transistors ohne weitere Mittel, lediglich durch geeignete Formgebung des Bauelementes erfolgen kann.
Zu diesem Zweck sind in dem Spulenkörper in geeigneter Weise Rillen, Bohrungen und sonstige Vertiefungen angebracht, in denen die benützten Bauteile durch geeignetes Biegen der Zuleitungsdrähte ohne weiteres oder höchstens durch Sicherungslack befestigt werden können. 14 bedeutet insbesondere die Aufnahme für den Transistor. Mit 15 bis 18 sind die Eintrittsöffnungen für die Zuführungsdrähte be- zeichnet. Weitere Schaltelemente sind in ausgefräste Aussparungen einlegbar. In die von den Aussparungen für den Transistor und die üblichen Schaltelemente stehengebliebenen Teile sind weitere Nuten vorzugsweise sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung eingebracht, die nach aussen geschützt als Führungen der Verbindungsdrähte der einzelnen Teile des Kreises dienen.
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Electrical clock with feedback circuit by means of a semiconductor component There are mechanical oscillation structures, in particular pendulum and balance arrangements, known in electrical clocks, in which the oscillator consists of a magnet, for example permanent magnet, which by contactless influencing of an electrical circuit, for example a coil, in this generates electrical pulses which, by means of a tube or controllable semiconductor arrangement, in particular a transistor arrangement, generate feedback pulses in a second corresponding electrical circuit, through which the oscillator experiences a constant periodic drive.
The contactless control usually takes place by means of two induction coils, namely a control coil in which electrical pulses are generated by the vibrating magnet, and a drive coil which exerts drive pulses on the vibrating magnet. In a transistor feedback circuit, the control coil is generally located in the emitter circuit, while the drive coil is located in the collector circuit. In addition, there is an electrical voltage source in the emitter-collector circuit, for example a battery, which supplies the energy to maintain the mechanical vibrations.
The invention relates to such an electrical clock with feedback switching by means of a semiconductor component, which forms an electronic circuit with a control coil located in its input and a drive coil located in its output, in which clock an electrically driven mechanical oscillator causes periodic weaving effects between a magnet and both coils. It is based on the technical task of finding an arrangement in which, for example, the pendulum or reversing drive known per se is stabilized by transistors or other semiconductor components.
It is also important to design the induction coil arrangement in such a way that the electronic control arrangement works with the best possible efficiency in order to protect the feed battery as much as possible.
According to the invention, this object is achieved by arranging the induction coils so closely together and by assigning an electrical decoupling element to them that, when the two coils interact periodically with the same pole of the magnet, the mechanical vibrations of the mechanical vibrator and the electrical vibrations of the electronic circuit are stabilized.
The effect that this arrangement produces is, in particular, that the magnet induces a current pulse in the control coil at maximum speed, for example this pendulum, which, current-amplified in the transistor, is transmitted to the drive coil, whose magnetic field attracts the magnet and so drives the pendulum. This type of amplification has the great advantage that the feed battery is used very sparingly, i.e. it is minimally discharged.
Furthermore, the circuit has proven to be advantageous in that it is not necessary to interrupt the circuit even during transport and longer storage; .The quiescent current is only a few microamps. The quiescent current has the advantage that it keeps the transistor and the supply battery permanently in readiness.
Furthermore, a resistor of the order of magnitude of 5 to 10 kilohms can be arranged parallel to the drive coil. This parallel resistance has a stabilizing effect on the mode of operation of the transistor, because it provides the necessary decoupling between the control and drive coil and also suppresses oscillation of the transistor.
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Finally, a favorable spatial arrangement of the individual parts with respect to one another can also be achieved with the invention.
The subject of the invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing: Fig. 1 shows a schematic circuit of the electronic drive for clocks designed as pendulum clocks according to the invention; 2 schematically shows the design of the pendulum with the arrangement of the electronic drive unit in a front view; Fig. 3 is the associated side view. FIGS. 4 and 5 represent two further exemplary embodiments of the subject matter of the invention, and FIGS. 6 to 9 show exemplary embodiments of coil bodies for the induction coils.
In detail, 1 is a transistor which, in the usual way, consists of the base 1 ', the emitter 1 "and the collector 1"'. The control coil 2 is designated, which is in the input circuit, that is between the base 1 'and the emitter 1 ", while the pulse or drive coil 3 is arranged in the output circuit, that is between the emitter 1" and the collector 1 "'.
Since the transistor acts as an amplifier in the clock according to the invention, a supply battery 4 is connected to the output circuit. For this supply battery, which has to provide a continuous voltage of 1.5 volts, primarily atmospheric oxygen elements come into consideration, which, as has been shown, can keep the clocks running for years.
Furthermore, a resistor 5 is present in FIG. 1, which provides the necessary decoupling and at the same time also suppresses the oscillation of the transistor circuit. For this purpose, this resistor is about 5 to 10 kilo ohms.
Instead of the resistor 5, a negative feedback can also be created in a capacitor 6 between the input and output circuit of the transistor, as indicated in dashed lines in FIG. This capacitor has a size of about 2000 to 10,000 pF.
This circuit is now given a particularly favorable structural configuration according to FIG. 2, in which the pendulum suspended at point M with pendulum rod 7 and bracket 8 is indicated schematically. As can be seen, a transverse rod 9 is clamped in the bracket 8 and has a bore for receiving the bar magnet 10.
It is now essential for the arrangement according to FIG. 2 that the pulse coil 11 is arranged around it on the side on which the magnet 10 is located, and the control coil 12 is located closely to the left of it.
In addition to the pulse coil 11 and the control coil 12, the transistor 1 and the resistor 5 can also be arranged on the same bobbin 13.
The invention is not restricted to the exemplary embodiment described. Rather, it has been shown that both the type of winding of the coils and the mutual coupling not only improve the energy efficiency of the arrangement but also the dependence of the oscillator on irregularities in the electrical structure, for example on voltage fluctuations or temperature coefficients of the transmission element, in particular Transistor, can be influenced even further.
This knowledge can be used in the construction of the coil arrangement in that the coils are matched to one another in their excitation phases in such a way that the input and output circuits of the transistor are as small as possible by a type of winding that differs from the layer winding or by coupling them to one another or by both measures Have phase difference.
This can be achieved in particular by arranging at least one of the coils and / or the magnet so that it can be displaced and adjusted such that the point in time of the pulse rises can be set to an optimum. As a result, the greatest possible efficiency of the electrical feedback can be set with the least amount of power drawn from the voltage source, in particular a battery.
Furthermore, it is expedient to design at least one coil with a cross winding in order to reduce the coil capacity and reduce the tendency of the electrical circuit to oscillate.
The arrangement according to the invention of the induction coils, which together with an electrical decoupling element is intended to stabilize the vibrations, can be achieved by closely coupling the control and drive coils. The close coupling offers the advantage that well-defined, sharp square-wave pulses arise. This can be achieved, for example, in that one coil is arranged coaxially on the other, with it extending entirely or partially over the length thereof. Surprisingly, with such a close coupling, temperature and voltage fluctuations of the circuit arrangement are largely compensated for so that a significantly greater accuracy of the oscillating structure results. This is particularly the case when the drive coil is arranged on the outside and the control coil is arranged on the inside.
Conversely, if the control coil is arranged on the outside, the result is a particularly favorable efficiency in terms of energy, while the temperature dependence is not as extensive as in the other case, so that the already proposed arrangement of a compensation hot conductor or other temperature corrector would be useful here.
A compromise between the two coaxial arrangements mentioned is that the layers of both coils are alternately wound into one another. If necessary, winding types which differ from the layer winding, in particular cross winding, can also be used in the coaxial arrangement or in the one inside the other.
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4 and 5 illustrate two special possibilities of the coil design for pendulum clocks.
In FIG. 4, 2 again denotes the control coil and 3 denotes the drive coil of a pendulum arrangement which is otherwise provided with the same designations as in FIGS. In the new embodiment, however, the two coils 2 and 3 are designed as cross windings, whereby a substantial increase in the electrical efficiency and at the same time a very substantial increase in the accuracy of the pendulum is achieved.
The embodiment according to FIG. 5 differs from that according to FIG. 2 in that the two coils 12 and 11 are not arranged next to one another but rather coaxially on one another; namely, they are roughly in the pendulum rest position - a little asymmetrical to this - arranged. Both coils have the same length of approximately such a spatial dimension that the ratio of length to diameter is approximately 5. Since the isochronism of the two coils, which is given by the sharpness of the pulse, is greatest when the coils are as short as possible, and on the other hand, the longer the coils, the better the efficiency, an optimal compromise must be found between the two requirements to be sought.
For this reason, the length to diameter ratio of the coils should be between 1.5: 1 and 10: 1.
It is within the scope of the invention that the exemplary embodiments can be modified in many ways. Instead of the transistor, other switching and / or amplifying controllable semiconductor arrangements can be used, for example. The pendulum can be replaced by a balance wheel or the like. There can be multiple coils. For example, in FIG. 4, a double coil of the coaxial type according to FIG. 5 can be provided at each end of the magnet, which are connected to two different transistor arrangements or to a common transistor arrangement.
Finally, FIGS. 6 to 9 illustrate particularly expedient, for example, configurations of bobbins 13, as are already indicated in FIGS. FIG. 6 shows a circular cross section corresponding to FIG. 3; FIG. 8 shows a longitudinal section, while FIGS. 7 and 9 show two side views rotated by 180. According to the example, the coil body serves at the same time as a carrier for the transistor and the resistor in one embodiment in which the transistor can be held without further means, merely by suitably shaping the component.
For this purpose, grooves, bores and other depressions are made in the coil body in a suitable manner, in which the components used can be fastened easily by suitable bending of the supply wires or at most with locking lacquer. 14 especially means the receptacle for the transistor. The inlet openings for the feed wires are denoted by 15 to 18. Further switching elements can be inserted in milled recesses. In the parts left by the cutouts for the transistor and the usual switching elements, further grooves are preferably made both in the radial direction and in the axial direction, which serve as guides for the connecting wires of the individual parts of the circle, protected from the outside.