Tragbar elektrische Uhr
Bei tragbaren elektrischen Taschen- oder Armbanduhren stellt eich das Problem, auf kleinem Platz einen Normalfrequenzgeber mit extrem kleinem Leietungsbedarf zu realisieren. Die bis heute bekannt gewordenen elektrischen Uhren verwenden als frequenzstabilisierendes Element entweder ein elektromechanisches Resonanzelement, z.B. eine elektrisch angetriebene Unruh, oder ein elektroakuetischee Resonanzelement, z.B. eine elektrodynamisch angetriebene Stimmgabel. Grundsätzlich können auch andere Resonanzelemente, z.B. piezoelektrisobe, elektrostriktive oder magnetostriktive, verwendet werden. Eine allen diesen Elementen gemeineame Eigenschaft liegt darin, dass ihre Resonanzfrequenz mit kleiner werdenden Abmeesungen ansteigt.
Die für Taschenoder Armbanduhren bis heute bekannt gewordenen Lösungen sind daduroh gekennzeichnet, dass die Energieübertragung vom Normalfrequenzgeber auf einen elektromeohanisohen Wandler zum Antrieb einer mechanischen zeitanzeigevorrichtung unmittelbar mit der Frequenz des Resonanzelementes rfolgt, was aus konstruk- tiven Gründen relativ niedrige Werte (unter ca. 1 kHz) der Eigenfrequenz des Resonanzelementes bedingt und dadurch der Wahl eine geeigneten Werkstoffes für das Resonanzelement, sowie dessen konstruktiven Gestaltung und mechanischen Abmessungen enge Grenzen setzt.
Damit eine tragbare Uhr eine hohe Genauigkeit aufweisen kann, müssen unter anderem zwei Bedingungen erfüllt sein
Erstens muss das Resonanzelement des Normalfrequenzgebers einen möglichst hohen Gütefaktor aufweisen, und zweitens muss dessen Eigenfrequenz mMglichst weit über dem im übli- chen Gebrauch durch Erschütterungen erzeugten Frequenzspektrum liegen.
Ein charakteristisches Merkmal der eingange erwähnten elektroakustischen Resonenzelemente ist nun, dass die Gütefaktoren ihre optimalen Werte bei z.T. wesentlich höheren Frequenzen als die durch die Anzeigevorrichtung bedingten erreichen.
Es ist bekannt, dass durch eine höhere Normalfrequenz bei tragbaren Uhren eine Reihe von Vorteilen erreicht werden könnten: 1. Höherer Gütefaktor, d.h. bessere Ganggenauigkeit 2. Geringere Störempfindlichkeit auf Erschütterungen 3. Kleinere Abmessungen 4. Verkleinerung des Einflusses des Gravitationsfeldes bei nicht gravitationsinvarianten Schwingerformen (z.3. Stiam- gabel), proportional zum Quadrat der Eigenfrequenz
Chronometer mit einem elektrischen Normalfrequenzgeber, der ein Resonanzelement als Stabilisator der verhältnisiässig hohen Frequenz aufweist1 einem mehrstufigen elektronischen Frequenzuntersetzer,
einem elektromechanischen Wandler und einer mechanischen Zeitanzeigevorrichtung gehören ebenfalls zum bekannten Stand der Technik. Die modernen elektronischen Bauelemente erlauben auch, solche Uhren so zu verkleinern, das sie tragbar sind. Bisher war es aber trotz allem nicht möglich, die Verkleinerung bis auf die Grösse einer üblichen Taschen- oder Armbanduhr fortzusetzen. Das Haupthindernis für das angestrebte Ziel bildete die in das Gehäuse der Uhr einzubauende galvanische Stromquelle zur Speisung der elektrischen Schaltung und zum Antrieb der Uhr.
Durch eine Veröffentlichung in der Zeitschrift "Electronics" vom 29. September 1961, betitelt "Tunnel Diodes Control Quartz Cryetal Chronometer" von R.L. Wattere, ist eine tragbare elektri sche Uhr bekannt geworden, die ale Frequenzstabilisator einen 100 KHz-Quarz aufweist. Ein vierstufiger Frequenzuntersstzer reduziert die Wechselstromfrequenz bis 50 Hz zur Speieung eines die Zeitanzeigevorriohtung antreibenden Synohronmotor. Die elektrische Sohaltung weist als aktive Glieder vier Tunneldioden und einen Transistor auf.
Der Stromverbrauch beträgt 1,4 mA bei 1,34 Volt Speiseapannung, was einer Leistungsaufnahme von etwa 2 mW entspricht. Wird als Stromquelle eine der bekannten 1,5 V-Monozellen verwendet, beträgt deren Lebensdauer ungefähr 6 Monate. Gemäss der genannten Veröffentlichung wurde zwar eine galvanische Zelle mit etwas kleineren Abmessungen benutzt, wobei sich eine Daufzeit der Uhr von 4 Monaten ergab. Allein schon diese Stromquellen sind zum Einbau in eine Taschenuhr oder gar Armbanduhr entschieden zu gross. Kleinere Stromquellen sind zwar bekannt, doch wäre ihre Leistungskapazität zu gering, um während mehreren Monaten ständig etwa 2 mA Strom abgeben zu können.
Eine ausreichende Verkleinerung der bekannten Uhr wäre demnach nur unter Verwendung von Tunneldioden mit erheblich geringerem Peakstrom möglich. Die gemäss der Ver öffentlichung verwendeten Tunneldioden hatten einen Peak- strom von 0,5 mA. Andere Tunneldioden mit wesentlich klei- nerem Peaketrom sind zur Zeit nicht bekannt.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist es, eine elektrische Uhr mit einer galvanischen Stromquelle, einem elektrischen Normalfrequenzgeber, der ein Resonanzelement als Frequenzstabilisator aufweist, einem mehrstufigen elektronischen Frequenzuntersetzer, einem elektro- mechanischen Wandler und einer mechanischen Zeitanzeigevor riohtung zu schaffen, bei welcher Uhr der Stromverbrauch so gering ist, dass die für mehrere Monate ausreichende galvanische Stromquelle im Gehäuse des ale Taechen- oder Armbanduhr ausgebildeten Zeitmessers Platz findet.
Es wurde gefunden, dass das angestrebte Ziel erreicht werden kann, wenn der elektronische Frequenzuntersetzer der erfindungegemässen Jhr Backward-Dioden als aktive Glieder aufweist.
Für andere Zwecke sind Bsokward-Dioden zwar seit einiger Zeit bekannt. Trotzdem ist bisher offenbar noch niemand auf die für den Fachmann wohl etwas ausgefallene Idee gekommen, eine Backward-Diode entgegen ihrer Bestimmung verkehrt zu betreiben und in einer Schaltung arbeiten zu lae- sen, die bisher ale aktives Glied eine Tunneldiode aufwies.
Bei dieser völlig ungewohnten Betriebsart einer Backward Diode ergibt eich ein Peakstrom von nur 1,2 bis 2/uA anstelle der 0,5 mA einer Tunneldiode. Es leuohtet ein, dass der nunmehr 250 bis 400 mal kleinere Peakstrom geetattet, mit einer Stromquelle erheblich geringerer Energie-Kapazität auszukommen. Da bei einer bestimmten Art der Stromquelle ihre Kapazität proportional zu ihrem Volumen ist, kann die Stromquelle nun mindestens 250 mal kleiner sein bei gleich langer Laufdauer der Uhr.
Bei einer tatsächlichen Ausführungsform der erfindungsgemässen Uhr, bei welcher überdies der Normalfrequenzgeber zum Unterhalt der Schwingung des Resonanzelementes einen ebenfalls mit einer Baokward-Diode bestückten Relaxatione-Oszillator aufweist, beträgt die gesamte Leietungsaufnahme etwa 8 W. Mit einer Stromquelle von nur 75 mAb Energie-Kapazität und mit 11,6 mm Durchmesser und 3,4 mm Dicke erreicht man eine ununterbrochene Betriebsdauer von etwa 390 Tagen. Bei diesen kleinen Abmessungen der Stromquelle kann die Uhr, zusammen mit der Stromquelle, in der Grösse einer üblichen Armbanduhr gebaut werden.
Eine Verringerung des Energiebedarfes auf andere Weise, z.3. durch Verminderung der Anzahl oder Weglassen der Unter setzeretufen, ist für eine Armbanduhr ungeeignet, weil die geforderte Gravitationsunabhängigkeit nach einer hohen Frequenz des Resonanzelementes ruft. Die für die Frequenzuntersetzung benötigten aktiven Glieder verbrauchen den grössten Teil des gesamten Energiebedarfee, weshalb es von besonderer Bedeutung iet, die genannten aktiven Glieder durch Backward-Dioden zu bilden, deren Energiebedarf, wie erwähnt, erheblich kleiner ist als Jener von Tunneldioden. Natürlich ist es im gleichen Sinn auch vorteilhaft, den elektrischen Normalfrequenzgeber ebenfalls mit einer Backward-Diode zu bestücken.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen der Erfindungsgegenstand rein beispielsweise veranschaulicht ist.
Pig. 1 stellt den prinzipiellen aufbau einer elektrischen Uhr mit einem Frequenzuntersetzer schematisch dar;
Fig. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einer sogenannten Bsokward-Diode, die im elektronischen Frequenzunter eetzer der Uhr als aktives Glied verwendet wird; i. 3 ist das elektrische Schaltschema des elektronischen Frequenzuntersetzers;
Fig. 4 zeigt einen im Sperrgebiet der Backward-Diode liegenden Teil der Kennlinie nach Fig. 2 in grösserem Massstab, zusammen mit einer Widerstands-Kennlinie;
Fig. 5 veranschaulicht die Ausgangsspannung des Frequenzuntersetzers in Funktion der Zeit.
Gemäss Fig. 1 weist eine elektrische Taschen- oder Armbanduhr einen elektrischen Normalfrequenzgeber auf, der aus einem Oszillator 10 und einen Resonanzelement 11 als Frequenzatabilisator besteht. Das Resonanzelement kann z.3. ein elektrisch angetriebener Torsionsschwinger oder Biegungsschwinger sein. Es ist aber ebenso gut möglich, einen elektrostriktiven, piezoelektrischen oder magnetostriktiven ochwinger als Resonanzelement zu benutzen, wie n das an sich bekannt ist. Mit Vorteil ist das Resoanzelement 11 in einem vakuumdichten Gehäuse untergebracht, damit es vor den Einflüssen der umgebenden Atmosphäre weitgehend geschützt ist.
Der zum Unterhalt der Schwingung des Resonanzelementes 11 dienende Oszillator 10 ist vorzugsweise ein mit Backward Dioden bestückter Relaxations-Oszillator, der aus einer elektrischen Energiequelle 12, z.B. einer kleinen Batterie, gespeist wird. Die vom Normalfrequenzgeber 10, 11 erzeugte und abgegebene ochwingungsfrequenz f0 liegt beispielsweise zwischen 2 und 20 kHz.
Der Ausgang des Normalfrequenzgebers ist mit einem elektronischen Frequenzuntersetzer 13 verbunden, der nachstehend ausführlich beschrieben ist und die elektrische Energie mit der Frequenz fo in eine solche mit beträchtlich niedrigerer Frequenz f umwandelt.
De Frequenzuntersetzer 13 ist ein elektromechanischer Wandler 14 nachgeschaltet, der die elektrische Schwingungsenergie in eine mechanisohe Energie zum Antrieb einer mechanischen Zeitanzeigevorrichtung 15 umwandelt. Der Wandler 14 kann z.B. aus einen kleinen Synohronmotor oder aus einem durch elektrische Impulse betätigbaren Schrittschaltwerk bestehen, wie an sich beKannt ist.
An den Untersetzer 13 werden erhebliche Anforderungen gestellt, da er Frequenzen von 20 kllz und eventuell mehr verarbeiten muss bei einem Leistungsbedarf von höchstens 2 Mikrowatt, damit er für die Verwendung in einer Taschenoder Armbanduhr geeignet ist Die bis heute bekannt gewordenen Üntersetzerchaltungen weisen bei der gegebenen Arbeitsfrequenz einen zu hohen Energieverbrauch auf. So besitzt z.B. ein Flip-Flop, der 1 Mikrowatt aufnimmt, eine obere Grenzfrequenz von bestenfalls 2C Hz , wobei die Frequenzuntersetzung nur 1:2 beträgt. Ein transistorisierter Blocking-Oszillator erweist sich etwas besser, ge nägt aber, eie auch der bekannte Tunneldioden-Relaxations oszillator-Untersetzer, den gestellten Anforderungen bei weitem nicht.
Die hier beschriebene Uhr gemäss der Erfin dung weist als Frequenzuntersetzer einen synchronisierten Relaxationsoszillator mit einer Backward-Diode als aktives Glied auf.
Baokward-Dioden sind als Schalter für sehr schnelle Rechenmaschinen entworfen worden und weisen bei Jener Anwendung als unerwünschten NebeneffeKt im Sperrgebiet einen kleinen Bereich mit negativem widerstand auf, wie die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie zeigt. Dieser Nebeneffekt wird nun im Frequenzuntersetzer 13 ausgenutzt. Der für die vorliegende Anwendung wichtige Unterschied zwischen einer Backward-Diode und einer Tunneldiode besteht in der Tatsache, dass der Spitzenstrom Ip der Backward-Diode nur etwa 1 bis 5 Mikroampère beträgt gegenüber einigen Milll- ampere bei der Tunneldiode.
Die Schaltung des Frequenzuntersetzers 13 ist in Fig. 3 dargestellt, Von den beiden Eingangsklemmen 16 und 17, die mit detn oszillator 1C verbunden sind, gelangt die Wechsel spannung U1 mit der Normalfrequenz fO an eine Eingangsschaltung, @ ie aus einem Kondensator C1 und zwei Dioden D1 und D, besteht. An diese Eingangsschaltung ist der Relaxstiionso3zillator, bestehend aus der Backwsrd Diode D, einer Induktionsspule mit der Induktivität L und dem ohm'schen Verlustwiderstand R sowie einer Gleichstromquelle B mit der Klemmenspannung EB, angeschlossen.
Die Backward-Diode D ist in Rückwärtsrichtung gepolt, und die an ihr entstehende Wechselspannung U2 mit der Frequenz f ist unter Zwischenschaltung eines Trennkondensators C2 an Ausgangsklemmen 18 und 19 geführt, die mit dem elektromechanischen Wandler 14 in Verbindung stehen.
Die Funktionsweise des Frequenzuntersetzers gemäss Fig. 5 ist nachstehend unter Bezugnahme auf die in Fig. 4 dargestellten Kennlinien beschrieben: Die ausschliesslich in ihrem Sperrgebiet betriebene Baokward-Diode D hat die Kennlinie KD, wogegen die geradlinige Kennlinie des Verlustwiderstandes R mit KR bezeichnet ist. Die Spannung EB der Gleichstromquelle B und der Verlustwiderstand R der Induktionsspule sind derart gewählt, dass die beiden Kennlinien KR und KD sich in inem Punkt P innerhalb des nega- tiven Widerstandsbereiches der Backward-Dioden-Kennlinie KD schneiden.
Beim Anschliessen der Stromquelle 3 steigt der durch die Induktionsspule und die Backward-Diode D fliessende Strom I vom Nullpunkt 0 ausgehend über den Punkt 1 zum Punkt 2 der Kennlinie KD annxhernd entsprechend einer Sx- ponentialkurve an. Im Punkt 2 beginnt der negative Kennlinienbereich, und der Strom sollte beim weiteren Anstieg der Spannung abnehmen, was jedoch durch die Induktivität L verhindert wird.
Die Aenderung des Stromes durch die Induktionsspule erzeugt nämlich über der Induktivität L eine Induktionsspannung, die sich zur Klemmenspannung EB der Gleichstromquelle B addiert, so dass die Backward Diode D sehr rasch den Zustand gemäss Punkt 3 ihrer Kennlinie KD annimmt. Weil jetzt der Spannungsabfall über der Backward-Diode D grösser ist als die Gleichapannung EB, beginnt der Strom gemass dem Kennlinienteil zwischen den Punkten 3 und 4 annähernd exponentiell abzunehmen.
Wenn der Punkt 4 der Kennlinie KD erreicht ist, beginnt der Strom wieder anzusteigen, was das Vorzeichen der induzierten Spannung umkehrt und bewirkt, dass die Backward-Diode D rasch in den ustand gemss Punkt 1 ihrer Kennlinie zurück- kehrt. Damit ist eine Periode vollendet, der sich sofort eine neue anschliesst, die mit der beschriebenen übereinstimmt, bis auf die Ausnahme, dass sie nicht im Nullpunkt 0, sondern im Punkt 1 der Kennlinie KD beginnt. Alle nachfolgenden Perioden sind mit der zweiten identisch. Der zeitliche Verlauf der Spannung U2 über der Bsckward-Diode D ist in Fig. 5 graphisch dargestellt. Die Frequenz f der Perioden des Relaxationsoszillators ist von der Zeitkonstanten # = L/R abhöngig.
Eine vorteilhafte Ligenschaft des beschriebenen Relaxationsoszillators ermöglicht dessen Betrieb als synchroni- sierter Oszillator oder, falls das synchronisierende Signal ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Relaxationsoszillstors ist, als Frequenzuntersetzer, enn namlich an den Eingangsklemmen 16 und 17 eine Wechselspannung Ul angelegt ist, so beeinflusst diese den Uebergang vom Zustand gemäss Punkt 2 in den Zustand gemäss Punkt 3 der Kennlinie KD, innen anderen Linfluss hat die Spannung U nicht.
Ueber die Dioden-Kombination D1, D2 wird die steuernde Spannung U1 mit positiver Polarität der Backward-Diode D zugeführt. Die Frequenz fO der Spannung U1 kann bis etwa 15 mal hoher sein als die Frequenz f des Relaxationsoszil- lators. Nur jene Spannungsspitzen, die zeitlich unmittelbar in die Nähe der Punkte 2 in Fig. 5 zu liegen kommen, bewirken jeweils den Wechsel des Backward-Dioden-Zustandes gemäss Punkt 2 der Kennlinie KD in jenen gemäss Punkt 3.
Durch geeignete Wahl der Zeitkonstanten # = L/R lässt sich erreichen, dass dies stets für die x-te Spannungs- soitze zutrifft wobei x eine beliebige ganze gahl von 1 bis etwa 15 sein kann. Die an den Ausgangsklemmen 18 und 19 auftretende Wechselspannung U2 weist demzufolge eine Frequenz f auf, die genau den x-ten Teil der Normalfrequenz fo beträgt. Folglich arbeitet der beschriebene und synchronisierte Relaxationsoszillator als Frequenz untersetzer oder Frequenzteiler.
Um die eingangs erwähnten günstigen Bedingungen einer elektrischen Unr mit Normalfrequenzgeber möglichst gut einhalten zu können, wird das Verhältnis von f0 zu f möglichst gross gewählt. Gute ergebnisse erzielt man iait einer zwar malfrequenz fo = 4500 Hz und einer speisefrequenz des elektromagnetischen @andlers 14 zwar f w 300 Hz.
Gegebenenfalls können auch zwei ähnliche 'requenz- untersetzer hintereinander geschaltet werden, so dass bei einer Normalfrequenz fo = 11'250 Hz eine Speisefrequenz f - 5C Hz resultiert, wenn das Frequenzteilungsverhältnis jedes Untersetzers 15 beträgt.
Da uas Resonanzelement 11 des Oszillators 10 bei der erwähnten Normalfrequenz fo verhältnismässig kleine Abmessungen aufweist und nicht durch seine Schwingungen unmittelbar zum mechanischen Antrieb der Anzeigevorrichtung dienen muss, kann das Resonanzelement ohne weiteres in ein vakuumdichtes Gehause eingebaut werden, wie bereits weiter oben gesagt wurde. Dadurch lasst sish die Dämpfung des Resonanzelementes verringern und gleichzeitig eine Abhängigkeit der Eigenfrequenz von xuttdruckschwankungen ausschalten.
Schliesslich sei noch erwähnt, dass der Oszillstor 10 eine prinzipiell gleiche Schaltung mit einer Backward Diode aufweisen kann wie der Frequenzuntersetzer 13. Das die Schwingung synchronisierende Signal wird dabei durch das Resonanzelement in der frequenz stabilisiert.