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Schaltungsanordnung in einem zeithaltenden Gerät zum Kompensieren des Temperatureinflusses und zum Stabilisieren der Spannung bei einem halbleitergesteuerten periodisch arbeitenden Impulsgeber Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung in einem zeithaltenden Gerät zum Kompensieren des Temperatureinflusses und zum Stabilisieren der Spannung bei einem halbleitergesteuerten periodisch arbeitenden Impulsgeber, bei der eine Impuls- oder Arbeitsspule in einem Gleichstromkreis mit einer Gleichspannungsquelle und einem mittels einer Steuerspule gesteuerten Halbleiterbauelement zwischen der im Steuerstromkreis befindlichen Hauptelektrode des Halbleiterbauelementes und der Gleichspannungsquelle geschaltet ist und bei der eine Reihenschaltung aus Selenventilen,
die bezüglich der Gleichspannung der Quelle in der Durchlass- richtung gepolt sind, einen Nebenschluss zur Arbeitsspule und zur Steuerstrecke des Halbleiterbauelementes bildet.
Bekannt ist eine Schaltungsanordnung zum Kompensieren des Einflusses der Temperatur oder der Spannung bei einer Sperrschwingerschaltung mit Transistor, die als Steuer- und Antriebsschaltung für den schwingenden mechanischen Gangordner eines zeithaltenden elektrischen Gerätes, insbesondere elektrische Uhr, vorgesehen ist. Diese Schaltung stimmt mit dem eingangs skizzierten halbleitergesteuerten Impulsgeber bis auf den Unterschied überein, dass an der Stelle der Impulsspule eine Treibspule zum Antreiben des Gangordners vorgesehen ist, deren Antriebskraft zum Aufrechterhalten der Schwingung auf einen am Gangordner befestigten Permanentmagneten induktiv übertragen wird.
Bereits nach diesem älteren Vorschlag besteht das Lösungsprinzip der Kompensation darin, dass die Strom- und Spannungsamplituden der Treibspule unabhängig von Temperatureinflüssen und Spannungsschwankungen möglicht konstant gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, dass parallel zu Treibspule und in der Flussrichtung des Arbeits- oder Erregerstromes der Treib- spule gepolt mehrere in Reihe geschaltete Gleichrichterventile aus Silicium oder Selen angeschlossen sind. Die Anzahl der Ventile ist dabei so gewählt, dass die Summe der Ventilschleusenspannungen gleich der Spannung ist, die an der Treibspule konstant auftreten soll.
Die Gleichspannungsquelle ist im übrigen so ausgelegt, dass ihre Minimalspannung an die gewünschte Kon- stantspannung der Treibspule angepasst ist. Liegt also die Gleichspannung über dieser Minimalspannung oder treten dabei Spannungsschwankungen auf, so werden die parallelgeschalteten Ventile in den ansteigenden Ast der Durchlasskennlinie gesteuert und führen einen Durchlassstrom, so dass die Treibspulenspannung im wesentlichen konstant bleibt.
Damit die Treibspulenspan- nung unabhängig von der Umgebungstemperatur kon- stantgehalten werden kann, ist diese Anpassung für eine minimal mögliche Umgebungstemperatur vorgenommen, da bei höherer als bei dieser minimalen Temperatur die Schleusenspannung des Emitterüberganges beim Transistor geringfügig abnimmt, so dass der Transistor bei fester Steuerspannung stärker aufgesteuert wird. Die Gleichrichterventile bewirken somit, dass die Treibspu- lenspannung nur geringfügig ansteigt, wenn die Um- gebungstem,perat@ur über der erwähnten Minimaltemperatur liegt.
Daraus wird ersichtlich, dass mit Hilfe der erwähnten Schaltungsanordnung der Temperatureinfluss auf den Transistor angenähert kompensiert werden kann. Sowohl bei Impulsgebern für gepulste Antriebe als auch bei der Steuer- und Antriebsschaltung für den schwingenden Gangordner einer elektrischen Uhr wird die Kompensation des Temperatureinflusses nach dem älteren Vorschlag als unzureichend angesehen. Es hat sich gezeigt, dass auch der Temperatureinfluss auf die parallelgeschalteten Halbleiterventile und auf die Impuls- oder Antriebsspule die Stabilisierung der Impulsspannung oder der Treibspulenspannung beeinträchtigt.
Ausserdem liegt, wie bereits erwähnt, die Gleichspannung stets beträchtlich höher als die konstant zu hal-
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tende Spulenspannung, so dass die Halbleiterventile Durchlassstrom führen und daher die Gleichspannungsquelle belasten. Erfolgt die Speisung aus einer Batterie, so wird die Betriebs- oder Lebensdauer der Batterie stark begrenzt.
Die vorstehend gewürdigte Schaltungsanordnung (siehe schweizerische Auslegeschrift Nr. 4574/64) ist auch mit einem einzigen, der Treibspule parallelgeschalteten Halbleiterventil bekannt. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Diode mit steiler Durchlasskennlinie und scharfem Kennlinienknick und nicht um ein Selenventil. Die weiche Durchlasskennlinie des Selenventils eignet sich geradezu vorzüglich dafür, den oben beschrie benen Ausgleich des Temperatureinflusses zu ermöglichen.
Es ist weiterhin bekannt, bei derartigen Schaltungen, z. B. bei Schaltungen für zeithaltende Geräte, npn- oder pnp-Transistoren (Annales Françaises de Chrono- métrie), 18, 2. Serie, 4. Trimestre, S. 239) oder eine Vierschicht-Schaltdiode anstelle eines Transistors zu ver- verwenden (DAS Nr. 1 099 949, Fig. 4). Ferner ist es bekannt, im Steuerstromkreis des Transistors ein RC- Zeitglied der Steuerimpulsquelle parallelzuschalten, mit einem der Transistor-Steuerstrecke parallelgeschalteten Kondensator zur Verlängerung der Steuerimpulse.
Bei einem bekannten Transistor-Schaltverstärker, insbesondere zur Anwendung bei sich selbst steuernden Uhrenantrieben (DAS Nr. 1 192 266), welcher die gleiche Grundschaltung aufweist wie die oben näher beschrie- bene Schaltungsanordnung, ist gleichfalls ein einziges Halbleiterventil mit steiler Durchlasskennlinie und scharfem Knick vorgesehen, das im Nebenfluss zu der aus der Treib- und Arbeitsspule und der Steuerstrecke des Transistor-Verstärkerelementes gebildeten Reihenschaltung angeordnet ist. Diese Anordnung wurde von einer Transistor-Schaltverstärkerschaltung ausgehend vorgeschlagen, bei der das Halbleiterventil zur Stabilisierung der Treibspulenspannung nur bezüglich der Transistorsteuerstrecke im Nebenschluss angeordnet ist.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung des Nebenschlusses wird nicht nur die Spannungsstabilisierung erheblich verbessert, sondern es werden auch die oben angeführten Mängel der durch die schweizerische Auslegeschrift Nr. 4574/64 bekannten Schaltungsanordnung vermieden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die einleitend beschriebene Schaltungsanordnung eines zeithaltenden Gerätes eine betriebsmässig optimale Ausgestaltung der Selenventile anzugeben, mit der die Anforderungen an die Spannungsstabilisierung und an die Kompensation des Temperatureinflusses auf die gesamte Schaltung noch weitgehend erfüllt werden.
Die Erfindung besteht darin, dass die Selenventilplättchen in engen Abstufungen in der Anzahl und in der Plättchengrösse variierbar und an die elektrischen Betriebsbedingungen des steuerbaren Halbleiterbauelementes und des Stromkreises des Impulsgebers anpassbar sind und in einem Stapel zusammengefasst sind.
Für die Anwendung der Schaltung gemäss der Erfindung ist in jedem Falle von entscheidender Bedeutung, dass bei der Verwendung einer Reihenschaltung aus Selenventilen von einem Stromkreiselement Gebrauch gemacht wird, dessen nichtlineare Kennlinie im Vergleich zu der Kennlinie einer Reihenschaltung aus Silicium- oder Germaniumdioden in sehr engen Stufen nach Strom und Spannung variierbar und so einstellbar ist, dass die Kennlinie des Stabilisators durch den gewünschten Arbeitspunkt läuft und dabei ausserdem einen den Betriebsgrössen des steuerbaren Halbleiterbauelementes und des Stromkreises angepassten Verlauf aufweist.
Da Selenventile in Spannungsklassen zwischen etwa 0,5 und 0,7 V und davon unabhängig auch in Stromklassen mit verschiedenen Plattengrössen hergestellt werden und in beliebiger Anzahl sowohl hintereinander als auch parallel zueinander geschaltet werden können, ist die Realisierung vieler eng zueinander abgestufter Durchlasskennlinien durch Kombination der Spannungsklassen, der Anzahl der Ventile und der Plattengrösse möglich. Hierzu kommt noch, dass die weiche gerundete Kennlinie der Selenventile für das Stabilisieren sehr günstig ist und dass das Aufsteuern dieser Ventile in den ansteigenden Ast der Kennlinie schnell erfolgt.
Nachstehend wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem das steuerbare Halbleiterbauelement ein pnp-Tran- sistor ist. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem npn-Transistor.
Der Stromkreis des Impulsgebers nach Fig. 1 wird mit Hilfe eines Transistors 1 periodisch geschlossen und wieder geöffnet. Bei geschlossenem Stromkreis wird die Impulsspule 2 zur Impulsgabe erregt. Der Impulsgeber kann selbststeuernd derart ausgelegt sein, dass bei jeder Impulsgabe in bekannter Weise ein Zeitglied 3 in Tätigkeit gesetzt wird, das nach Ablauf einer gewählten Pulsperiodendauer in der Steuerspule 4 des Transistors 1 einen Steuerimpuls auslöst. Der Stromkreis des Impulsgebers nach Fig. 2 ist der gleiche wie der in Fig. 1 dargestellte.
Im Unterschied dazu wird lediglich anstelle eines pnp-Transistors ein npn- Transistor verwendet, so dass die Polung der Gleichspannungsquelle 5 und der Reihenschaltung aus Selenventilen 6 gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Polung entgegengesetzt ist. In beiden Stromkreisen nach Fig. 1 und 2 ist ferner im Steuerstromkreis des Transistors 1 ein ohmscher Widerstand 7 und parallel zur Emitterba- sisstrecke des Transistors 1 ein Kondensator 8 vorgesehen, die zusammen ein RC-Glied bilden und zum Verlängern der Steuerimpulse der Steuerspule 4 dienen.
Aus Fig. 1 geht hervor, dass die Reihenschaltung der Selenventile 6 im Unterschied zu dem älteren Vorschlag nicht nur die Impulsspule 2, sondern zusammen mit der Impulsspule auch den Steuerstromkreis, ins- @besonde,re die den Kollektorstrom des Transistors 1 steuernde Emitterbasisstrecke überbrückt.
Diese Schaltungsweise der Selenventile ermöglicht es, die Kompensation des Temperatureinflusses auf die zu stabilisierende Spannung der Impulsspule 2 zu verbessern, indem sich nicht nur der Temperatureinfluss auf den Transistor 1 allein, sondern auch der Einfluss der anderen temperaturempfindlichen Stromkreiselemente, nämlich der Impulsspule 2 und des Selenstabilisators 6 kompensiert.
Unter der Voraussetzung. dass Höhe und Gang der Temperatur bei allen diesen Elementen die gleichen sind und die Gleichspannung U der Gleichspannungs- quelle konstant bleibt, beruht diese kompensierende Wirkung einmal darauf, dass sich bei einer gegebenen Temperaturänderung sowohl die Schleusenspannung eines Selenventils als auch die Schleusenspannung eines
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Emitterbasisüberganges im Silicium oder Germanium in der gleichen Richtung verändern, wobei aber diese Veränderung infolge der weichen und gerundeten Durchlasskennlinie bei einem Selenventil geringer ist als bei einem pn-Übergang in Silicium oder Germanium, und dass sich bei dieser Temperaturänderung die Impedanz der Impulsspule 2 zwar ebenfalls geringfügig verändert,
diese Veränderung aber in der entgegengesetzten Richtung erfolgt. Die kompensierende Wirkung beruht ferner darauf, dass der Emitterbasisübergang zusammen mit der Impulsspule 2 durch die Reihenschaltung von Selenventilen 6 überbrückt wird. Bei dieser Schaltungsweise wird gegenüber der Schaltung nach dem älteren Vorschlag die Stabilisierung der Spannung an der Impulsspule 2 gegen Spannungsschwankungen erheblich verbessert, da allein die Basis-Kollektorstrecke des Transistors 1 als Vor- oder Stabilisierungswiderstand für die Spannungsstabilisierung wirkt und in Abhängigkeit von der Temperatur, die besonders auf die Aussteuerung des Transistors einwirkt, im Sinne der Kompensation des Temperatureinflusses verändert wird.
Im Vergleich zu der älteren Schaltung bringt daher diese Schaltungsweise den Vorteil mit sich, dass die spannungsmässige Auslegung der Gleichspannungsquelle 5 in bezug auf die gewünschte Höhe der an der Impulsspule zu stabilisierenden Spannung ohne Rücksicht auf mögliche Temperaturschwankungen vorgenommen werden kann. Der Energieanteil der Gleichspannungs- quelle 5, der beim Stabilisieren der Spannung an der Impulsspule 2 in der Impulsspule nicht ausgenutzt werden kann, ist daher geringer und der Wirkungsgrad des Impulsgebers somit besser. Dies ergibt sich daraus, dass sich der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektorstrecke mit der Gleichspannung so verändert, dass der Strom durch die Impulsspule konstant bleibt.
Dadurch wird der Energieverbrauch aus der Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, verringert und die Lebensdauer der Batterie verlängert.
Die Anwendung von Selenventilplättchen gemäss der Erfindung ist keineswegs nur auf Impulsgeber, die mit Transistoren arbeiten, beschränkt. Mit dem gleichen Erfolg wie bei den Impulsgebern mit Transistoren ist sie beispielsweise auch bei thyristorgesteuerten Impulsgebern anwendbar. In diesen Fällen ist es von Bedeutung, dass die Zündcharakteristik jedes einzelnen Thyristorexemplars bekanntlich in nicht unerheblichem Masse temperaturabhängig ist. So nimmt besonders der obere zulässige Zündstrom mit steigender Temperatur stark ab und auch die Mindestzündspannung nimmt mit steigender Temperatur ab, was bei der Strom- und spannungsmässigen Auslegung der Thyristor-Steuer- stromkreise in dem jeweils gegebenen Anwendungsfall zu berücksichtigen ist.
Die Anwendung von Selenventilplättchen gemäss der Erfindung ist ferner auch bei Impulsgebern möglich, die in Verbindung mit Schaltdioden arbeiten. Bei diesen Dioden erfolgt das Umschalten vom gesperrten in den stromleitenden Zustand bekanntlich durch überschreiten der Nullkippspannung, die ebenfalls temperaturabhängig ist.
Von ausschlaggebender Bedeutung ist die Anwendung von Selenventilplättchen gemäss der Erfindung bei einer elektrischen Uhr. Hierbei arbeitet der Impulsgeber als Steuer- und Antriebsschaltung mit einem Transistor für einen schwingenden mechanischen Gangordner und dient dazu, um die Hilfe der Impulsspannung an der Treibspule 2 die Schwingweite und Frequenz des Gang- ordners unabhängig von Temperatureinflüssen konstant zu halten.
Nach einem anfänglichen Anstossen des Gangordners steuert der mit dem Gangordner schwingende Permanentmagnet die pulsförmige Erregung der Treib- spule 2 im Takte der Eigenfrequenz des Gangordners selbsttätig, indem er in der Steuerspule 4 des Transistors 1, der im Erregerstromkreis liegt, periodische Steuerimpulse synchron zur Schwingung induziert.
Der Einfluss von Temperaturschwankungen wirkt besonders deutlich auf die Grösse der Amplitude des schwingenden Gangordners ein. Bei Anwendung von SelenventiTplättchen gemäss der Erfindung ist es selbst bei Temperaturschwankungen in einem grossen Bereich sowie auch bei sehr grossen Amplituden des Gangordners möglich, die Amplitude auf etwa 10 bis 20 ö konstantzuhalten.
Um eine an die elektrischen Betriebsbedingungen eines Impuilsgebers mit Transistor aagepasste Kennlinie der Selenventile zu realisieren, wird der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung aus Selenventilen 6 so eingestellt, dass der Ventildurchlassstrom etwa die gleiche Grösse hat wie der Steuerstrom des Transistors. Die Einstellung dieses Widerstandes erfolgt durch entsprechende Wahl der Plattengrösse der Ventile. Die an der Impulsspule des Impulsgebers benötigte Spannung wird durch eine im Schleusenspannungsbereich passend wählbare Schleusenspannung der einzelnen Ventile und durch die Anzahl der hintereinander zu schaltenden Ventile vorgegeben.
Die Windungszahl der Impulsspule kann ausserdem noch so gewählt werden, dass die Summe der Spannungen an der Impulsspule und an der Emit- ter-Basis-Strecke des Transistors der Schleusenspannung des gesamten Selenstabilisators rntspricht.
Im übrigen ist die an der Impulsspule benötigte Spannung, d. h. die Arbeitsspannung des Impulsgebers, durch die Spannung bestimmt, die als Betriebsspannung der Gleichspannungsquelle, insbesondere einer Batterie, am Ende einer gewünschten Lebensdauer der Batterie noch zur Verfügung steht. Diese Arbeitsspannung ist daher mit anderen Worten ausgedrückt durch die gewünschte Lebensdauer der Batterie bestimmt. Damit ist ferner der Gesamtstromverbrauch (für Impulsspule und Stabilisator) und also auch die zum vorteilhaften Stabilisieren erforderliche Stromstärke im Stabilisator festgelegt. Umgekehrt sind daher Spannung und Stromstärke der Impulsspule und des Stabilisators nach einer gewünschten Lebensdauer der Batterie einstellbar.