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.
Portable electric clock
In the case of portable electric pocket or wristwatches, the problem is to realize a standard frequency transmitter with extremely small line requirements in a small space. The electrical clocks that have become known to date use either an electromechanical resonance element, e.g. an electrically driven balance, or an electroacoustic resonance element, e.g. an electrodynamically driven tuning fork. In principle, other resonance elements, e.g. piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive can be used. A common property of all these elements is that their resonance frequency increases with decreasing dimensions.
The solutions for pocket or wristwatches that have become known to this day are characterized by the fact that the energy transfer from the standard frequency transmitter to an electro-mechanical converter for driving a mechanical time display device takes place directly at the frequency of the resonance element, which for structural reasons is relatively low (below approx. 1 kHz ) the natural frequency of the resonance element and thus the choice of a suitable material for the resonance element, as well as its structural design and mechanical dimensions, sets narrow limits.
In order for a portable watch to have high accuracy, two conditions must be met, among others
Firstly, the resonance element of the standard frequency generator must have as high a quality factor as possible, and secondly, its natural frequency must be as far above the frequency spectrum generated in normal use by vibrations as possible.
A characteristic feature of the electroacoustic resonance elements mentioned at the beginning is that the quality factors reach their optimal values at partly reach much higher frequencies than those caused by the display device.
It is known that a number of advantages could be achieved by a higher normal frequency in portable watches: 1. Higher quality factor, i. Better accuracy 2. Lower sensitivity to vibrations 3. Smaller dimensions 4. Reduction of the influence of the gravitational field in the case of non-gravitationally invariant oscillator shapes (e.g. 3. Stiam fork), proportional to the square of the natural frequency
Chronometer with an electrical standard frequency transmitter, which has a resonance element as a stabilizer for the relatively high frequency1 a multi-stage electronic frequency divider,
an electromechanical transducer and a mechanical time display device are also known from the prior art. Modern electronic components also allow such watches to be downsized so that they are portable. So far, however, it has not been possible to continue downsizing to the size of a conventional pocket or wristwatch. The main obstacle to the desired goal was the galvanic power source to be built into the case of the watch to supply the electrical circuit and drive the watch.
By a publication in Electronics magazine dated September 29, 1961, entitled "Tunnel Diodes Control Quartz Cryetal Chronometer" by R.L. Wattere, a portable electrical cal clock has become known, the ale frequency stabilizer has a 100 KHz crystal. A four-stage frequency booster reduces the alternating current frequency to 50 Hz for feeding a sync motor that drives the time display. The electrical maintenance has four tunnel diodes and a transistor as active elements.
The power consumption is 1.4 mA at 1.34 volts supply voltage, which corresponds to a power consumption of about 2 mW. If one of the well-known 1.5 V mono cells is used as the power source, its service life is approximately 6 months. According to the publication mentioned, a galvanic cell with somewhat smaller dimensions was used, resulting in a clock running time of 4 months. These power sources alone are decidedly too big for installation in a pocket watch or even a wristwatch. Smaller power sources are known, but their power capacity would be too low to be able to continuously deliver around 2 mA of current for several months.
A sufficient downsizing of the known clock would therefore only be possible by using tunnel diodes with a considerably lower peak current. The tunnel diodes used according to the publication had a peak current of 0.5 mA. No other tunnel diodes with a significantly smaller peak flow are currently known.
The object underlying the present invention is to create an electrical clock with a galvanic power source, an electrical standard frequency generator, which has a resonance element as a frequency stabilizer, a multi-stage electronic frequency divider, an electro-mechanical converter and a mechanical time display device riohtung in which Watch the power consumption is so low that the galvanic power source, which is sufficient for several months, can be accommodated in the housing of the ale diving watch or wrist watch.
It has been found that the desired goal can be achieved if the electronic frequency divider of the invention has backward diodes as active elements.
Bsokward diodes have been known for some time for other purposes. In spite of this, no one has apparently yet come up with the somewhat unusual idea for a person skilled in the art to operate a backward diode in the wrong way, contrary to its intended purpose, and to make it work in a circuit that previously had all active elements a tunnel diode.
With this completely unusual operating mode of a backward diode, a peak current of only 1.2 to 2 / uA results instead of the 0.5 mA of a tunnel diode. It implies that the peak current, which is now 250 to 400 times smaller, allows to get by with a power source with a considerably lower energy capacity. Since with a certain type of power source its capacity is proportional to its volume, the power source can now be at least 250 times smaller with the same duration of the clock.
In an actual embodiment of the clock according to the invention, in which the standard frequency transmitter also has a relaxation oscillator also equipped with a Baokward diode to maintain the oscillation of the resonance element, the total power consumption is about 8 W. With a power source of only 75 mAb energy capacity and with a diameter of 11.6 mm and a thickness of 3.4 mm, an uninterrupted service life of about 390 days is achieved. With these small dimensions of the power source, the clock, together with the power source, can be built in the size of a conventional wristwatch.
A reduction in the energy requirement in another way, e.g. 3. by reducing the number or omitting the reduction steps, is unsuitable for a wristwatch because the required independence from gravity calls for a high frequency of the resonance element. The active elements required for the frequency reduction consume most of the total energy requirement, which is why it is of particular importance to form the active elements mentioned by backward diodes, the energy requirements of which, as mentioned, are considerably lower than that of tunnel diodes. Of course, it is also advantageous in the same sense to equip the electrical standard frequency generator with a backward diode as well.
Further details emerge from the following description and the accompanying drawings, in which the subject matter of the invention is illustrated purely by way of example.
Pig. 1 shows the basic structure of an electric clock with a frequency divider schematically;
Fig. 2 shows the current-voltage characteristic of a so-called Bsokward diode which is used as an active member in the electronic frequency converter of the clock; i. 3 is the electrical circuit diagram of the electronic frequency divider;
FIG. 4 shows a part of the characteristic curve according to FIG. 2 lying in the blocking region of the backward diode on a larger scale, together with a resistance characteristic curve;
5 illustrates the output voltage of the frequency divider as a function of time.
According to FIG. 1, an electric pocket watch or wrist watch has an electric normal frequency transmitter which consists of an oscillator 10 and a resonance element 11 as a frequency stabilizer. The resonance element can z.3. be an electrically driven torsional oscillator or flexural oscillator. However, it is just as possible to use an electrostrictive, piezoelectric or magnetostrictive ochwinger as the resonance element, as is known per se. The resonance element 11 is advantageously accommodated in a vacuum-tight housing so that it is largely protected from the influences of the surrounding atmosphere.
The oscillator 10 serving to maintain the oscillation of the resonance element 11 is preferably a relaxation oscillator equipped with backward diodes, which consists of an electrical energy source 12, e.g. a small battery. The oscillation frequency f0 generated and output by the standard frequency generator 10, 11 is, for example, between 2 and 20 kHz.
The output of the standard frequency generator is connected to an electronic frequency divider 13, which is described in detail below and which converts the electrical energy with the frequency fo into one with a considerably lower frequency f.
An electromechanical converter 14 is connected downstream of the frequency divider 13, which converts the electrical oscillation energy into mechanical energy for driving a mechanical time display device 15. The transducer 14 can e.g. consist of a small synchronous motor or a stepping mechanism that can be actuated by electrical impulses, as is known per se.
Considerable demands are made on the coaster 13, since it has to process frequencies of 20 kllz and possibly more with a power requirement of at most 2 microwatts so that it is suitable for use in a pocket watch or a wristwatch too high energy consumption. E.g. a flip-flop that consumes 1 microwatt, an upper limit frequency of at best 2C Hz, the frequency reduction is only 1: 2. A transistorized blocking oscillator proves to be somewhat better, but it doesn’t by any means meet the requirements, including the well-known tunnel diode relaxation oscillator coaster.
The clock according to the invention described here has a synchronized relaxation oscillator with a backward diode as an active member as a frequency divider.
Baokward diodes have been designed as switches for very fast calculating machines and, when used, have a small area with negative resistance as an undesirable side effect in the restricted area, as the characteristic curve shown in FIG. 2 shows. This side effect is now used in the frequency divider 13. The difference between a backward diode and a tunnel diode, which is important for the present application, is the fact that the peak current Ip of the backward diode is only about 1 to 5 microamps compared to a few milllamps for the tunnel diode.
The circuit of the frequency divider 13 is shown in Fig. 3, From the two input terminals 16 and 17, which are connected to detn oscillator 1C, the AC voltage U1 with the normal frequency fO reaches an input circuit, @ ie from a capacitor C1 and two diodes D1 and D. The relaxation oscillator, consisting of the backwsrd diode D, an induction coil with the inductance L and the ohmic loss resistance R, and a direct current source B with the terminal voltage EB, is connected to this input circuit.
The backward diode D is polarized in the reverse direction, and the alternating voltage U2 with the frequency f that arises at it is routed to output terminals 18 and 19, which are connected to the electromechanical converter 14, with an isolating capacitor C2 interposed.
The mode of operation of the frequency divider according to FIG. 5 is described below with reference to the characteristics shown in FIG. 4: The Baokward diode D operated exclusively in its blocking area has the characteristic KD, whereas the straight characteristic of the loss resistance R is denoted by KR. The voltage EB of the direct current source B and the loss resistance R of the induction coil are selected such that the two characteristics KR and KD intersect at a point P within the negative resistance range of the backward diode characteristic KD.
When the current source 3 is connected, the current I flowing through the induction coil and the backward diode D rises from zero point 0 via point 1 to point 2 of the characteristic curve KD approximately in accordance with an Sx ponential curve. The negative characteristic curve area begins at point 2, and the current should decrease as the voltage continues to rise, but this is prevented by the inductance L.
The change in the current through the induction coil generates an induction voltage across the inductance L, which is added to the terminal voltage EB of the direct current source B, so that the backward diode D very quickly assumes the state according to point 3 of its characteristic curve KD. Because the voltage drop across the backward diode D is now greater than the DC voltage EB, the current begins to decrease exponentially according to the part of the characteristic curve between points 3 and 4.
When point 4 of the characteristic curve KD is reached, the current begins to rise again, which reverses the sign of the induced voltage and causes the backward diode D to quickly return to the state according to point 1 of its characteristic curve. This completes a period, which is immediately followed by a new one that corresponds to the one described, with the exception that it does not start at zero point 0 but at point 1 of the characteristic curve KD. All subsequent periods are identical to the second. The time course of the voltage U2 across the Bsckward diode D is shown graphically in FIG. The frequency f of the periods of the relaxation oscillator is dependent on the time constant # = L / R.
An advantageous property of the relaxation oscillator described enables it to be operated as a synchronized oscillator or, if the synchronizing signal is an integral multiple of the frequency of the relaxation oscillator, as a frequency divider, if an alternating voltage Ul is applied to input terminals 16 and 17, this influences the Transition from the state in accordance with point 2 to the state in accordance with point 3 of the characteristic curve KD, the voltage U does not have any other flow.
The controlling voltage U1 is fed to the backward diode D with positive polarity via the diode combination D1, D2. The frequency f0 of the voltage U1 can be up to about 15 times higher than the frequency f of the relaxation oscillator. Only those voltage peaks that are immediately in the vicinity of point 2 in FIG. 5 cause the change in the backward diode state according to point 2 of the characteristic curve KD to that according to point 3.
Through a suitable choice of the time constant # = L / R, it can be achieved that this always applies to the xth voltage level, where x can be any whole number from 1 to about 15. The alternating voltage U2 appearing at the output terminals 18 and 19 accordingly has a frequency f which is exactly the nth part of the normal frequency fo. Consequently, the described and synchronized relaxation oscillator works as a frequency divider or frequency divider.
In order to be able to adhere as well as possible to the favorable conditions of an electrical Unr with a standard frequency generator mentioned at the beginning, the ratio of f0 to f is chosen as large as possible. Good results are generally achieved with a multiple frequency fo = 4500 Hz and a feed frequency of the electromagnetic transducer 14 although f w 300 Hz.
If necessary, two similar frequency reducers can also be connected in series, so that at a normal frequency fo = 11,250 Hz, a feed frequency f −5C Hz results when the frequency division ratio of each reducer is 15.
Since uas resonance element 11 of oscillator 10 has relatively small dimensions at the above-mentioned normal frequency fo and does not have to serve directly to mechanically drive the display device due to its vibrations, the resonance element can easily be installed in a vacuum-tight housing, as already said above. This allows you to reduce the damping of the resonance element and at the same time eliminate the dependence of the natural frequency on fluctuations in pressure.
Finally, it should be mentioned that the oscillating gate 10 can in principle have the same circuit with a backward diode as the frequency divider 13. The frequency of the signal synchronizing the oscillation is stabilized by the resonance element.