Circuit d'entretien de l'oscillation d'un résonateur électromécanique d'horlogerie
On applique depuis quelques années à la montre- bracelet des oscillateurs électromécaniques à fréquence audible, par exemple des oscillateurs à diapason, connus depuis longtemps en chronométrie. fl y a également des décennies que l'entretien de tels résonateurs est assuré par transducteurs électrodynamiques à aimants mobiles et bobines fixes, ce mode d'entretien ayant trouvé son épanouissement avec l'avènement des transistors. Le circuit maintenant classique, issu de cette technique ancienne, comporte un ou plusieurs transducteurs à aimants mobiles et bobines fixes.
Les bobines qui, du point de vue mécanique, peuvent être réparties en un ou plusieurs corps, comprennent, du point de vue fonctionnel, deux bobinages, l'ut dit bobinage moteur et l'autre bobinage capteur . Le bobinage moiteur constitue la charge de sortie d'un amplificateur à transistor dont la base est attaquée par le signai du bobinage capteur
Ce circuit relativement simple présente quelques inconvénients:
: - une partie de la faible place disponible pour les bobi
nes étant occupée par le bobinage capteur, l'efficacité
du bobinage moteur est réduite d'autant, - le bobinage capteur nécessite une sortie intermédiaire
relativement difficile à exécuter étant donné le très
faible .diamètre du fil, généralement de l'ordre de
15/1000 mm, - il se prête mal à une compensation de l'effet d'ampli
tude qui se manifeste très généralement par une légère
baisse de la fréquence lorsque l'amplitude augmente.
La possibilité de remédier à ces inconvénients par un circuit électronique plus complexe mais s'accommodant d'un seul bobinage, réparti ou non en plusieurs corps, n'est pas nouvelle. Elle ne présente d'ailleurs aucune difficulté dans son application aux oscillateurs à grande amplitude, tels que les pendules de gravitation et les systèmes balancier-spiral, pour lesquels l'angle d'oscil- lation étant très grand par rapport à l'angle d'interaction du transducteur, la localisation précise de l'impulsion d'entretien est simplement obtenue par des dispositions géométriques appropriées.
I1 en va tout autrement dans les résonateurs à fréquence audible dont la faible amplitude d'oscillation engendre une tension induite quasi sinusoïdale. Les impulsions d'entretien couvrent alors un angle électrique de l'ordre de 900, leur largeur et leur phase étant essen tellement déterminée6 par le Circuit électronique.
Un bon circuit d'entretien doit, sur toue le domaine des tensions de pile et température utiles d'une montrebracelet, satisfaire aux conditions suivantes: - assurer l'autoidémarrage très rapide de l'osciXateulr,
de manière à ne perdre qu'un minimum de temps lors
de son arrêt ou de son amortissement accidentel, à la
suite d'un choc par exemple, - assurer des impulsions d'entretien de largeur et de
phase bien définies, ajustables sur un domaine suffi
sant pour annuler la dépendance fréquence-amplitude,
garantir un rendement élevé et permettre l'amplitude
requise par le processus bien connu de son auto
régulation, - admettre un élément thermosensible, une thermistance
par exemple,
propre à annuler le coefficient ther
mique de fréquence de l'oscillateur, - il devra en outre, dans notre cas, s'accommoder d'un
bobinage unique, réparti en un ou plusieurs corps
de manière à éviter les inconvénients mentionnés des
circuits à deux bobinages.
La présente invention a pour objet un circuit d'entretien de l'oscillation d'un résonateur électromécanique d'horlogerie, à transducteu.r électrodynamique à aimants mobiles et bobinage unique fixe, à deux transistors de même polarité, l'un dit moteur et l'autre dit inverseur de phase, le collecteur du transistor moteur étant chargé par ledit bobinage unique, le collecteur du transistor inverser de phase étant chargé par une résistance et relié d'autre part à la base du transistor moteur par un circuit
RC parallèle, une fraction au moins du signal engendré aux bornes dudit bobinage étant réinjectée à la base du transistor inverseur de phase par l'intermédiaire d'un circuit RC série,
la valeur nominale des composants étant déterminée de manière que l'entretien du mouvement soit assuré à raison d'une impulsion motrice par période d'oscillation.
Un circuit de ce type, apte à l'entretien de l'oscillation d'un balancier-spiral, est connu du brevet français No 1256386. Selon ce brevet, un effet de contre-réaction est obtenu en supprimant les condensateurs qui shuntent les résistances ds polarisation et en réunissant les bornes de sortie de ces résistances par une résistance supplémentaire. En plus, on ajoute une capacité entre une borne ds la source de courant et une borne de la résistance nouvellement insérée.
Ces mesures pour obtenir un effet de coutre-réaction ne sont pas aptes à satisfaire aux conditions susmentionnées.
Le but de la présente invention est de prévoir un circuit qui permette de remplir lesdites conditions. Ce cir- cuit est caractérisé par le fait que le résonateur est à fréquence audible et que le courant continu de polarisation de la base des transistors est principalement déte°- miné par une résistance de contre-réaction placée entre la base du transistor inverseur de phase et son collecteur, la valeur de cette résistance étant déterminée de manière à assurer le démarrage et le fonctionnement normal de l'oscillateur, quelles que soient la tension de la pile et la température utile, et que le transistor moteur soit pratiquement saturé pendant toute la durée d'application des impulsions motrices mais bloqué entre elles.
Ladite résistance de contre-réaction donne un effet de contre-réaction propre pour un circuit d'entretien d'un résonateur à fréquence audible.
La fig. l du dessin annexé donne, à titre d'exemple non limitatif, le schéma général d'un circuit d'entretien selon l'invention.
La fig. 2 est relative à une forme ,d'exécution particulière.
Dans le schéma de la fig. 1, le bobinage unique B constitue la charge du transistor moteur Tl. Le transistor inverseur de phase T2 est chargé par la résistance R1, son collecteur étant relié d'autre part à la base du transistor Tl par le circuit R4, C2 et éventuellement R5, cette dernière étant une thermistance de compensation.
Le collecteur du transistor inverseur de phase T2 est encore relié à sa base par une résistance de conte- réaction R2 qui détermine son propre courant de polarisation et, à travers R4, celui du transistor Tl.
La valeur ohmique des résistances Ri, R2 et R4 détermine les courants continus de polarisation des deux transistors qu'il est facile de choisir au voisinage de leur valeur idéale pour assurer de parfaites conditions de démarrage et de fonctionnement, quelles que soient la tension de la pile et la température utile. Toutes choses égales par ailleurs, la résistance R3 détermine plus particulièrement la fraction du signal de sortie réinjectée à la base du transistor inverseur de phase. Les condensateurs Cl et C2 déterminent la phase du signal d'entre tien qui, pour des valeurs normales des composants, se réduit à une succession d'impulsions, à raison d'une impulsion par période. Ces impulsions, entraînent la saturation du transistor moteur.
Leur largeur et leur phase sont parfaitement déterminées par la valeur des composants du circuit.
La largeur des impulsions, de l'ordre de 900 électrique, doit être suffisante pour assurer un transfert d'énergie convenable mais assez faible pour ne pas nuire au rendement. Dans la règle, la phase des impulsions d'entretien doit être telle qu'elles oöïncident, symétriquement, avec la phase de la tension induite pour laquelle la ten- sion résiduelle aux bornes du transistor moteur est la plus faible.
Si le résonateur accuse un propre effet fréquenceamplitude, il peut être corrigé dans une large mesure par la phase des impulsions d'entretien. Si la fréquence tend à augmenter avec l'amplitude, la phase des impulsions d'entretien dot être retardée, et avancée dans le cas contraire. Les deux condensateurs du circuit permettent d'agir de manière bien plus efficace que dans le cas des circuits à un seul condensateur de transfert.
De même si le résonateur accuse un coefficient thermique propre, il peut être au moins partiellement corrigé par l'effet compensateur éventuel du circuit électronique.
La phase des impulsions d'entretien est en effet, comme on l'a dit plus haut, assez fortement influencée par certains composants du circuit électronique d'entretien. 11 suffit donc, en principe, que la courbe thermique de tels composants réduise celle propre au résonateur. E est difficile de trouver des condensateurs de courbe thermique appropriée à la compensation recherchée. Les thermistances par contre s'y accommodent bien mieux.
Pour des raisons théoriques, confirmées par l'expérience, la phase des impulsions d'entretien peut être favorablement modifiée, sans porter préjudice aux autres paramètres de foqnctionnement, soit par une thermistance R5, insérée dans la branche capacitive de couplage à la base du transistor Ti, soit en constituant la résistance Ri par une thermistance, la variation de phase résultant alors d'une variation du courant de polarisation des transistors.
Des raisons techniques en rapport avec la structure du résonateur conduisent souvent à séparer le bobinage unique en deux corps de bobines séparés. E peut alors être avantageux, en raison de la faible place disponible, de coupler le condensateur Cl au point de liaison des bobines, comme le montre la fig. 2, chaque bobine grolu- pant dans son voisinage immédiat une partie des composants, par exemple les composants Rl, R2, R3, Cl et
T2 au voisinage de El et les autres au voisinage de B2.
A titre d'indication, d',excellents résultats ont été obtenus, dans un circuit selon la fig. 2, avec des composants de valeurs suivantes:
Rl = l MQ
R2 = R4 = 3,3 MQ
R3 = 4,7 MQ Cl=C2=3,3nF
La consommation de courant peut encore être réduite en multipliant les résistances et en divisant les capacités par un facteur qui peut aller jusqu'à 5, mais il est difficile de trouver actuellement sur le marché des résistances subminiatures de valeur supérieure à 4,7 MQ.
Le circuit décrit conduit à un excellent rendement, partant à une faible consommation de courant. Les paramètres largeur d'impulsion et phase sont facilement ajustables sur un large domaine. Les impulsions sont de largeur bien définie et le transistor moteur est saturé durant toute la durée de leur application, ce qui assure une bonne stabilité de l'amplitude d'oscillation en fonction de la charge.
Le démarrage est très rapide mais il peut être encore amélioré en choisissant un transistor moteur de gain sensiblement plus élevé que celui du transistor inverseur de phase.
Maintenance circuit of the oscillation of an electromechanical clockwork resonator
For several years now, electromechanical oscillators with audible frequency have been applied to wristwatches, for example tuning fork oscillators, which have long been known in chronometry. It has also been decades since the maintenance of such resonators is ensured by electrodynamic transducers with moving magnets and fixed coils, this maintenance method having found its development with the advent of transistors. The now classic circuit, resulting from this old technique, comprises one or more transducers with moving magnets and fixed coils.
The coils which, from the mechanical point of view, can be divided into one or more bodies, comprise, from the functional point of view, two windings, the so called motor winding and the other sensor winding. The wetness coil constitutes the output load of a transistor amplifier whose base is driven by the signal of the sensor coil.
This relatively simple circuit has a few drawbacks:
: - part of the limited space available for the bobi
nes being occupied by the sensor winding, the efficiency
of the motor winding is reduced accordingly, - the sensor winding requires an intermediate output
relatively difficult to perform given the very
small wire diameter, generally of the order of
15/1000 mm, - it does not lend itself well to compensation for the amplifier effect
study which manifests itself very generally by a slight
decrease in frequency as amplitude increases.
The possibility of remedying these drawbacks by a more complex electronic circuit but accommodating a single coil, distributed or not in several bodies, is not new. It also presents no difficulty in its application to large amplitude oscillators, such as gravitational pendulums and sprung balance systems, for which the angle of oscillation is very large compared to the angle d. Interaction of the transducer, the precise localization of the sustain pulse is simply obtained by appropriate geometric arrangements.
It is quite different in audible frequency resonators, the low oscillation amplitude of which generates an induced almost sinusoidal voltage. The sustaining pulses then cover an electrical angle of the order of 900, their width and phase being essentially determined by the electronic circuit.
A good maintenance circuit must, over all the range of battery voltages and useful temperature of a wristwatch, satisfy the following conditions: - ensure the very rapid self-starting of the oscillator,
so as to only waste a minimum of time during
of its accidental stoppage or depreciation,
following a shock for example, - ensure maintenance pulses of width and
well-defined phase, adjustable over a sufficient range
health to cancel the frequency-amplitude dependence,
guarantee high efficiency and allow amplitude
required by the well-known process of his self
regulation, - admit a thermosensitive element, a thermistor
for example,
suitable for canceling the ther coefficient
frequency of the oscillator, - in our case, it must also adapt to a
single winding, divided into one or more bodies
so as to avoid the mentioned disadvantages of
two-coil circuits.
The present invention relates to a circuit for maintaining the oscillation of an electromechanical clockwork resonator, with an electrodynamic transductor with moving magnets and a single fixed winding, with two transistors of the same polarity, one said motor and the other called phase inverter, the collector of the motor transistor being charged by said single winding, the collector of the phase inverting transistor being charged by a resistor and connected on the other hand to the base of the motor transistor by a circuit
RC parallel, at least a fraction of the signal generated at the terminals of said winding being reinjected at the base of the phase inverting transistor via a series RC circuit,
the nominal value of the components being determined in such a way that the maintenance of the movement is assured at the rate of one driving pulse per period of oscillation.
A circuit of this type, suitable for maintaining the oscillation of a sprung balance, is known from French patent No. 1256386. According to this patent, a feedback effect is obtained by eliminating the capacitors which bypass the resistors. ds polarization and joining the output terminals of these resistors by an additional resistance. In addition, capacitance is added between a terminal of the current source and a terminal of the newly inserted resistor.
These measures for obtaining a coulter-reaction effect are not able to satisfy the above-mentioned conditions.
The aim of the present invention is to provide a circuit which makes it possible to fulfill said conditions. This circuit is characterized by the fact that the resonator is at audible frequency and that the direct bias current of the base of the transistors is mainly determined by a feedback resistor placed between the base of the phase inverter transistor. and its collector, the value of this resistance being determined so as to ensure the starting and normal operation of the oscillator, whatever the battery voltage and the useful temperature, and that the motor transistor is practically saturated during the entire period. duration of application of motor impulses but blocked between them.
Said feedback resistor gives a proper feedback effect for a sustain circuit of an audible frequency resonator.
Fig. 1 of the appended drawing gives, by way of nonlimiting example, the general diagram of a maintenance circuit according to the invention.
Fig. 2 relates to a particular form of execution.
In the diagram of fig. 1, the single winding B constitutes the load of the motor transistor T1. The phase inverting transistor T2 is loaded by the resistor R1, its collector being connected on the other hand to the base of the transistor T1 by the circuit R4, C2 and possibly R5 , the latter being a compensation thermistor.
The collector of phase inverting transistor T2 is still connected to its base by a feedback resistor R2 which determines its own bias current and, through R4, that of transistor T1.
The ohmic value of resistors Ri, R2 and R4 determines the direct polarization currents of the two transistors which it is easy to choose close to their ideal value to ensure perfect starting and operating conditions, whatever the voltage of the battery and useful temperature. All other things being equal, resistor R3 more particularly determines the fraction of the output signal reinjected at the base of the phase inverting transistor. The capacitors C1 and C2 determine the phase of the sustain signal which, for normal values of the components, is reduced to a succession of pulses, at the rate of one pulse per period. These pulses lead to saturation of the motor transistor.
Their width and phase are perfectly determined by the value of the components of the circuit.
The width of the pulses, of the order of 900 electric, must be sufficient to ensure a suitable transfer of energy but low enough not to adversely affect the efficiency. As a rule, the phase of the sustain pulses must be such that they coincide, symmetrically, with the phase of the induced voltage for which the residual voltage at the terminals of the motor transistor is the lowest.
If the resonator exhibits its own frequency amplitude effect, it can be corrected to a large extent by the phase of the sustain pulses. If the frequency tends to increase with the amplitude, the phase of the sustaining pulses must be delayed, and advanced otherwise. The two capacitors of the circuit allow to act in a much more efficient way than in the case of circuits with only one transfer capacitor.
Likewise, if the resonator has its own thermal coefficient, it can be at least partially corrected by the possible compensating effect of the electronic circuit.
The phase of the sustaining pulses is in fact, as stated above, quite strongly influenced by certain components of the electronic sustaining circuit. It is therefore sufficient, in principle, for the thermal curve of such components to reduce that specific to the resonator. It is difficult to find capacitors with an appropriate thermal curve for the compensation sought. The thermistors on the other hand adapt to it much better.
For theoretical reasons, confirmed by experience, the phase of the sustaining pulses can be favorably modified, without prejudice to the other operating parameters, either by a thermistor R5, inserted in the capacitive coupling branch at the base of the transistor. Ti, or by constituting the resistor Ri by a thermistor, the phase variation then resulting from a variation in the bias current of the transistors.
Technical reasons related to the structure of the resonator often lead to the single coil being separated into two separate coil bodies. E can then be advantageous, because of the small space available, to couple the capacitor C1 to the connection point of the coils, as shown in FIG. 2, each coil aggregates in its immediate vicinity a part of the components, for example the components R1, R2, R3, Cl and
T2 in the vicinity of El and the others in the vicinity of B2.
By way of indication, excellent results have been obtained in a circuit according to FIG. 2, with components of the following values:
Rl = l MQ
R2 = R4 = 3.3 MQ
R3 = 4.7 MQ Cl = C2 = 3.3nF
The current consumption can be further reduced by multiplying the resistors and dividing the capacitances by a factor that can go up to 5, but it is difficult to find subminiature resistors above 4.7 MΩ on the market today.
The circuit described leads to an excellent efficiency, hence to a low current consumption. The pulse width and phase parameters are easily adjustable over a wide range. The pulses have a well-defined width and the motor transistor is saturated throughout the duration of their application, which ensures good stability of the oscillation amplitude as a function of the load.
The start-up is very fast but it can be further improved by choosing a motor transistor with a gain significantly higher than that of the phase inverting transistor.