DE1095747B - Zeithaltendes elektrisches Geraet, insbesondere elektrische Uhr - Google Patents

Zeithaltendes elektrisches Geraet, insbesondere elektrische Uhr

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DE1095747B DEB40212A DEB0040212A DE1095747B DE 1095747 B DE1095747 B DE 1095747B DE B40212 A DEB40212 A DE B40212A DE B0040212 A DEB0040212 A DE B0040212A DE 1095747 B DE1095747 B DE 1095747B
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zeithaltendes elektrisches Gerät, insbesondere elektrische Uhr, mit einem kontaktlos über eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Transistorschaltung, selbstgesteuerten mechanischen Schwinger als Gangordner, insbesondere einen Schwinger im Bereich der Tonfrequenz, und verhältnismäßig geringer Amplitude, wobei in dem Stromkreis eines Abfühlelementes, insbesondere einer Abfühlspule, Steuerimpulse erzeugt werden, die dem Eingang der elektronischen Schaltung zugeführt werden und in einem Antriebselement, insbesondere einer Antriebsspule, des Ausgangskreises der elektrischen Schaltung kurzzeitige Teilimpulse periodisch erzeugt werden, wobei ferner dem Kreis des Steuerelementes, insbesondere der Steuerspule, eine i?C-Kombination zugeordnet ist.
Um die Amplitude des Schwingers einer elektromagnetisch gesteuerten Uhr, wie Tischuhr od. dgl., konstant zu halten, ist es unter anderem bekannt, die induzierte Spannung der Triebspule eines mit verhältnismäßig großer Amplitude und mit verhältnismäßig geringer Frequenz arbeitenden Schwingers, z. B. Pendels oder Unruh, etwa gleich der Spannung der zugeordneten Batterie zu wählen. In diesem Fall ist die Länge des wirksamen Magnetfeldes kleiner als die Amplitude des Schwingers, wodurch in dem Abfühlelement automatisch ein Spannungsimpuls relativ kurzer Dauer induziert wird und über den Rest der Schwingung die Spannung an der Abfühlspule praktisch den Wert Null hat. Bei solchen Uhren ist es, wenn es sich um größere Typen, z. B. Tischuhren, handelt, auch möglich, die induzierte Spannung in der Abfühlspule wesentlich höher zu wählen, als dies für die Aussteuerung des Transistors notwendig ist, weil in einer Tisch- oder Standuhr heute ausreichend Platz für genügend große Induktionsmagnete und Steuerspulen vorhanden ist und die Frage des Energieaufwandes keine entscheidende Rolle spielt. Die induzierte Spannung kann also so hoch gewählt werden, daß die Temperaturabhängigkeit eines Transistors auf die Amplitudenregelung keinen so großen Einfluß mehr hat, d. h., bei derartig gesteuerten Uhren spielt die Temperaturabhängigkeit des benutzten Transistors nicht die gleiche Rolle wie z. B. bei Kleinuhren, bei denen nur kleine Induktionsmagnete und Steuerspulen verwendbar sind, so daß auch nur kleine Steuerspannungen erzielbar sind.
Da ein Transistor nur auf Änderungen des Stromes reagiert, also nur den Strom verstärkt, kömmt es darauf an, daß an der Basis ein Steuerstrom zur Verfügung steht, der möglichst unabhängig von Temperatureinflüssen ist.
Wenn die induzierte Spannung am Abfühlelement, d. h. die Steuerspannung, verhältnismäßig hoch ist,
Zeithaltendes elektrisches Gerät,
insbesondere elektrische Uhr
Anmelder:
Bulova Watch Company, Inc.,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. H. Lesser, Patentanwalt,
München 27, Pössartstr. 6
Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 12. Mai 1955
Max Hetzel, Biel (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden
also wesentlich höher ist als die durch Temperaturschwankungen bewirkte Änderung des Arbeitsspannungsbereiches des Transistors an der Basis, ,dann wirkt sich infolge des verhältnismäßig hohen Wider-Standes der Abfühlspule diese Änderung der Arbeitsspannung des Transistors im Steuerstrom an der Basis des Transistors praktisch nicht sehr stark aus. Wenn man nun dafür sorgt, daß die induzierte Spannung des Triebelementes gleich oder etwa gleich der Batteriespannung ist, dann spielt in bezug auf die Regelung der Amplitude des Schwingers nur die induzierte Spannung des Triebelementes eine Rolle.
Wesentlich anders liegen die Verhältnisse, wenn das zeithaltende elektrische Gerät eine Armbanduhr ist, weil in diesem Fall Wert darauf gelegt werden muß, daß nicht nur die Energiequelle verhältnismäßig wenig Platz benötigt, sondern auch das Trieb- und das Abfühlsystem so klein wie möglich gehalten werden. Dies bedingt aber, daß nur mit verhältnismäßig niedrigen induzierten Spannungen gearbeitet werden kann und die Amplitude des Schwingers sehr gering sein muß. Darüber hinaus muß die Steuerenergie so niedrig wie möglich gehalten werden.
Senkt man nun die induzierte Spannung des Abfühlelementes auf einen verhältnismäßig geringen Wert, dann wirkt sich die Arbeitsspannungsänderung an der Basis des Transistors infolge Temperafcuränderung so stark aus, daß der Basis-Steuerstrom nicht mehr konstant bleibt. Es kann die Amplitude und der
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Energiebedarf nur in einem ganz bestimmten, verhältnismäßig kleinen Bereich auf konstanten Werten gehalten werden. Unterhalb dieses Bereiches, d. h. zu tieferen Temperaturen hin, wird dem Schwinger nicht mehr genügend Energie zugeführt, so daß er seine vorgeschriebene Amplitude nicht mehr halten kann. Oberhalb dieses Bereiches, d. h. zu höheren Temperaturen hin, steigt der Energieverbrauch so stark an, daß die Lebensdauer der Batterie stark vermindert wird. Dieser erhöhte Energieverbrauch führt zu einer Erhöhung des Kollektorstromimpulses und damit zu einer Erhöhung des Ohmschen Spannungsabfalles über der Kollektorspule und hiermit zu einer Verminderung der Amplitude.
Da nun Armbanduhren auch dann arbeiten sollen, wenn sich die Temperatur in einem gewissen Bereich ändert, läßt sich die bekannte Anweisung auf Armbanduhren nicht ohne weiteres übertragen. Es nutzt also praktisch nichts, wenn — wie bekannt — dafür gesorgt wird, daß der Scheitelwert der induzierten Spannung des Triebelementes etwa gleich der Batteriespannung ist, sondern es muß in diesem Fall dafür gesorgt werden, daß sich der Basisstrom bei Temperaturänderung in gewissen Bereichen nicht ändert.
Ein bekannter, elektronisch-mechanischer Oszillator, der zur Zeitmessung beim Skifliegen eingesetzt worden ist, enthält eine Thyratronröhre zur Steuerung einer Kippschwingung und eine durch den Entladestromimpuls der Kippschwingung zu mechanischen Schwingungen angeregte Blattfeder als Mittel zur Synchronisierung des als zeithaltendes Glied für sich allein wertlosen Kippschwing-Oszillators. Dies bedingt eine — allerdings in weiten Grenzen — Abstimmung des Kippschwing-Oszillators auf die Frequenz der Blattfeder, was mit Hilfe eines veränderlichen Widerstandes 5 kOhm erfolgt, welcher die Aufladezeit eines Kondensators 0,5 F zwischen Kathode und Anode bestimmt. Die Wirkung eines solchen Oszillators ergibt sich aus folgendem: Man nehme an, die Thyratronröhre habe soeben gelöscht.. Die Anode befindet sich auf angenähert 0 Volt. Über den veränderlichen Widerstand 5 kOhm wird der Entladekondensator 0,5 μ F zwischen Kathode und Anode aufgeladen und befindet sich nach Vioo Sekunde — das ist die Periodendauer der Blattfeder — auf etwa 300VoIt. Die durch ein RC-GYied im Gitterkreis negativ vorgespannte Wechselspannung der Sekundärspule der Blattfederanordnung läuft in diesem Augenblick, vom negativen Spannungswechsel kommend, gegen Null. Sobald die Gitterspannung sich zwischen — 2 und 0 Volt befindet, zündet die Thyratronröhre, und der infolge des sehr klein bemessenen Widerstandes der Triebspule im Verhältnis zur Periodendauer sehr kurze Entladestoß treibt die Blattfeder an, und die Induktivität der Antriebsspule bewirkt, daß die Thyratronröhre wieder löscht, womit der Vorgang von neuem beginnt.
Damit diese Oszillatorart zufriedenstellend arbeiten kann, muß dafür gesorgt werden, daß nach erfolgter Löschung nicht weitere Zündungen auftreten, bevor eine Periodendauer vorüber ist. Sobald der Anodenspannungskondensator wieder auf etwa 25 Volt aufgeladen ist, könnte schon wieder eine Zündung auftreten, wenn das Gitter sich noch auf etwa 0 Volt Spannung befinden würde. Der positive Scheitelpunkt der induzierten Sekundärspannung am Gitter muß gerade ungefähr den Wert Null erreichen, damit die gewünschte Zündung ungefähr im Scheitel erfolgt, so daß, wenn die nächste Zündung bei 25 Volt Anodenspannung auftreten würde, das Gitter schon wesentlich negativer geworden ist, so daß keine Zündung mehr auftreten kann, bis nach einer Periodendauer die Gitterspannung wieder in die Nähe des Wertes 0 Volt kommt. Ein i?C-Glied im Gitterkreis, dessen Zeitkonstante größer ist als die Periodendauer der Blattfeder, führt die beschriebenen Bedingungen herbei, da der Kondensator im Scheiteldurchgang durch die gezündete Gitterkathodenstrecke auf Null entladen wird. Diese Bedingungen sind allerdings nur erfüllt, wenn die induzierte Sekundärspannung relativ groß ist, da ίο sonst eine Zündung weit vor dem Scheitelpunkt auftreten kann. Das i?C-Glied des vorgenannten Kondensators hat also lediglich den Zweck, Fehlzündungen zwischen den Hauptzündungen zu vermeiden. Diese bekannte Anordnung benötigt ferner für den Kippschwinger eine sehr hohe Betriebsspannung von etwa 300 Volt, die für Aragton-Uhren undiskutabel ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dafür zu sorgen, daß die Betriebsspannung und der Energieverbrauch einer elektrischen Uhr so niedrig wie mögao lieh ist und trotzdem erreicht wird, daß die Amplitude des Schwingers, gleichgültig, unter welchen praktisch auftretenden Temperaturen er arbeitet, konstant bleibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs an erster Stelle beschriebenen zeithaltenden elektrischen Gerät, erfindungsgemäß vorgeschlagen, die /üC-Kombination aus einer Parallelschaltung mindestens eines Widerstandes und mindestens eines Kondensators bestehen zu lassen, im ganzen in Reihe mit dem Abfühlelement zu schalten und so zu bemessen, daß eine den Transistor während der größten Zeit der Schwingungsperiode sperrende Wirkung eintritt und zugleich die Einflüsse der Temperaturschwankung auf den Transistor kompensiert werden.
Voraussetzung ist, daß die Amplitude schon dadurch konstant gehalten wird, daß der Scheitelwert der induzierten Spannung des Triebelementes etwa gleich der Spannung der zugeordneten Batterie ist. Wird diese Anweisung beachtet, dann wirken sich Temperaturen zwischen —10 und +45° C auf die Konstanz der Amplitude des Schwingelementes praktisch nicht aus. Dadurch ist es möglich, die Amplitude konstant zu halten; es muß allerdings weiterhin dafür gesorgt werden, daß die hin- und hergehende Bewegung des Schwingelementes einwandfrei in eine synchrone Drehbewegung gewandelt wird. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die Zähnezahl des vom Schwinger über eine Klinke angetriebenen, unter Wirkung eines Bremsmittels stehenden Zahnrades und der Abstand von dessen Zähnen der Amplitude der Klinke so zugeordnet werden, daß der Klinkenhub größer als der Abstand zweier benachbarter Zähne, aber kleiner als der doppelte Abstand derselben ist. Besonders zweckmäßig ist es, den eineinhalbfachen Wert des Zahnabstandes gleich dem Hub der Klinke zu wählen. Die zur Aufrechterhaltung der Amplitudenkonstanz notwendige Energie ist äußerst gering und ändert sich in dem gesamten Temperaturbereich nur unwesentlieh.
Im Gegensatz zu dem obenerwähnten, mit einer Thyratronröhre arbeitenden elektromechanischen Oszillator weist der Stimmgabel-Oszillator gemäß der Erfindung nur ein zeitbestimmendes Glied, nämlich die Stimmgabel, auf, so daß sich eine Synchronisierung erübrigt. Eine synchronisierte Doppeloszillatorschaltungwürde in diesem Fall eine wesentliche Verschlechterung der Zeithaltung der Stimmgabel mit sich bringen, da die Phasenlage des Anregungsimpulses vom Synchronisationspunkt abhängig wäre. Angewandt auf
elektronisch gesteuerte Uhren würden sich keinerlei Vorteile gegenüber beispielsweise durch Unruhen gesteuerten Uhren ergeben. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß der bekannte, mit einer Thyratronröhre arbeitende Oszillator nicht die Aufgabe hat, die Amplitude zu stabilisieren, da hier für den Kippschwinger und damit die von ihm angetriebene Triebspule der Blattfeder eine leicht zu übersehende, praktisch konstante hohe Betriebsspannung von 300VoIt zur Verfügung steht, ganz davon abgesehen, daß eine Amplitudenstabilisierung, wenigstens mit den hier angewandten Mitteln, auch gar nicht möglich wäre, da kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Blattfederamplitude und dem Kippschwing-Oszillator besteht. Das verwendete i?C-Glied hat weder mit der Stromersparnis noch mit der automatischen Verschiebung des Arbeitspunktes infolge Transistor- bzw. Röhrencharakteristikveränderungen zu tun. Die letztgenannte Eigenschaft könnte eine solche bekannte RC-Schaltung schon deshalb nicht erfüllen, weil die Gitter-Zündspannung in keinem Zusammenhang mit der Pegelspannung der Gitterkathodenstrecke im leitenden Zustand hat. Im Gegensatz dazu fällt die Spannung im Knie der Transistordiodenstrecke Basis— Emitter für jede Temperatur und für jeden Transistor desselben Typs mit der Cutoff-Spannung des Transistors zusammen.
Es empfiehlt sich gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung eine derartige Bemessung des i?C-Kreises, daß seine Zeitkonstante wesentlich unterschiedlich von der Schwingungsperiode des mechanischen Schwingers ist, vorzugsweise wesentlich größer ist als die Schwingungsperiode. Dadurch wird erreicht, daß der Kondensator keine wesentlichen Wechselspannungsschwankungen erfährt.
Arbeitet das zeithaltende elektrische Gerät mit einem Gangordner, der mit Tonfrequenz schwingt, insbesondere mit einer Stimmgabel, dann kann der Widerstand in der Größenordnung von 2 MOhm und der Kondensator in der Größenordnung von etwa 2 Mikrofarad liegen. Die Kapazitätswerte können auch niedriger sein, soweit entsprechende Kondensatoren zur Verfügung stehen.
Wenn das Trieb- und das Abfühlelement, um an Raum zu sparen, auf einem gemeinsamen Spulenkörper gewickelt sind, so besteht die Möglichkeit der elektromagnetischen Rückkopplung mit viel höherer Frequenz, als dies der Eigenfrequenz des Schwingers entspricht. Um dies zu vermeiden, empfiehlt es sich, einen dem Triebelement parallel geschalteten Kondensator vorzusehen. Dieser kann so bemessen sein, daß der Kreis aus Triebelement und Kondensator auf die Frequenz des mechanischen Schwingers abgestimmt ist.
Besonders zweckmäßig ist es, das aus einem Kondensator und mindestens einem Widerstand bestehende Netzwerk im Stromkreis des Abfühlelementes unter Emitterschaltung des Transistors anzuordnen, wobei das i?C-Glied und das Abfühlelement im Basiskreis und das Triebelement im Kollektorkreis liegen.
Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild des elektrischen Stromkreises einer Uhr gemäß der Erfindung, wobei das 2?C-Glied an den Minuspol der Batterie angeschlossen ist,
Fig. 2 ein dem Schaltbild nach Fig. 1 entsprechendes Schaltbild, wobei das i?C-Glied an den Pluspol der Batterie angeschlossen ist.
Der elektrische Stromkreis, der beispielsweise die Zinken eines Stimmgabel vibrators zum Schwingen bringt, weist einen Transistor auf, der vorzugsweise ein Germaniumverbindungstransistor ist, dessen Basis-Emitter- und Kollektorelektroden mit B, E und C gekennzeichnet sind. Die positive Klemme 1 der nicht gezeichneten Spannungsquelle ist elektrisch mit dem Emitter E verbunden, während der Kollektor C mit einer Klemme 2 der Triebspule 3 verbunden ist, die beispielsweise fünf- bis sechsmal so viele Windungen hat wie die Abfühlspule 4, wenn die Spannung der Spannungsquelle 1,3 Volt hat. Die andere Klemme 5 der Triebspule 3 ist mit der negativen Klemme 6 der Spannungsquelle verbunden.
Im Steuerkreis des Transistors ist in Serie geschaltet ein i?C-Glied vorgesehen, dessen Kondensator 7 und dessen Widerstand 8 parallel zueinander liegen. Das i?C-Glied liegt zwischen der Klemme 9 der Abfühlspule 4 und dem negativen Pol 6 der Spannungsquelle.
Während im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 das RC-Glied an der negativen Klemme der Spannungsquelle liegt, befindet sich das i?C-Glied im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 an der positiven Klemme der Spannungsquelle. Im übrigen stimmen beide Schaltschemen überein.
Der Triebspule 3 kann ein weiterer Kondensator 10 parallel geschaltet sein. Es empfiehlt sich, die Kapazität des Kondensators so zu wählen, daß sie mit der Induktivität der Spule 3 einen abgestimmten Schwingungskreis bildet, dessen Frequenz im wesentlichen der Eigenfrequenz des verwendeten Schwingers entspricht. Der Kondensator verhindert unerwünschte elektromagnetisch rückgekoppelte Schwingungen sehr hoher Frequenz.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Zeithaltendes elektrisches Gerät, insbesondere elektrische Uhr, mit einem kontaktlos über eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Transistorschaltung, selbstgesteuerten mechanischen Schwinger als Gangordner, insbesondere einem Schwinger im Bereich der Tonfrequenz und verhältnismäßig geringer Amplitude, wobei in dem Stromkreis eines Abfühlelementes, insbesondere einer Abfühlspule, Steuerimpulse erzeugt werden, die dem Eingang der elektronischen Schaltung zugeführt werden, und in einem Antriebselement, insbesondere einer Antriebsspule, des Ausgangskreises der elektronischen Schaltung kurzseitige Triebimpulse periodisch erzeugt werden, wobei ferner dem Kreis des Steuerelementes, insbesondere der Steuerspule, eine ÄC-Kombination zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese RC-Kombination aus einer Parallelschaltung mindestens eines Widerstandes und mindestens eines Kondensators besteht, im ganzen in Reihe mit dem Abfühlelement geschaltet und so bemessen ist, daß eine den Transistor während der größten Zeit der Schwingungsperiode sperrende Wirkung eintritt und zugleich die Einflüsse der Temperaturschwankung auf den Transistor kompensiert werden.
2. Zeithaltendes elektrisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung des i?C-Gliedes, daß seine Zeitkonstante wesentlich unterschiedlich von der Schwingungsperiode des mechanischen Schwingers ist, vorzugsweise wesentlich größer als die Schwingungsperiode.
3. Zeithaltendes elektrisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, für einen mit Tonfrequenz schwingenden Gangordner, insbesondere eine Stimmgabel,
dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) in der Größenordnung von 2 MOhm und der Kondensator (7) in der Größenordnung von etwa 2 Mikrofarad liegt.
4. Zeithaltendes elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3 unter Verwendung eines weiteren, der Triebspule parallel geschalteten Kondensators, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung des Kondensators (10), daß der Kreis aus Triebspule (3) und Kondensator (10) auf die Frequenz des mechanischen Schwiingers abgestimmt ist.
5. Zeithaltendes elektrisches Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich-
net durch Anordnung eines aus mindestens einem Kondensator (7) und mindestens einem Widerstand (i?C-Glied 8) bestehenden Netzwerkes im Stromkreis des Abfühlelementes (4) unter Emitterschaltung des Transistors, wobei RC-G\ied (7, 8) und Abfühlelement (4) im Basiskreis und das Triebelement (3) im Kollektorkreis liegen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 090 564,
411;
Jahrbuch der Deutschen Gesellschaft für Chronometrie, 1952, S. 18 bis 24.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DEB40212A 1955-05-12 1956-05-11 Zeithaltendes elektrisches Geraet, insbesondere elektrische Uhr Pending DE1095747B (de)

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