DE1171188B

DE1171188B -

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Publication number: DE1171188B
Application number: DE19561171188
Authority: DE
Priority date: 1955-03-31
Filing date: 1956-03-29
Publication date: 1974-07-04
Also published as: CH371618A; FR1147598A; DE1171188C2; US2942205A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B 06

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 42 s - ■

M 30126 IXb/42 s
29. März 1956
27. Mai 1964

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von elektrischer Energie in mechanische und umgekehrt, z. B. für Stimmgabelgeneratoren oder Tonabnehmer, mit einem ein bewegliches Glied enthaltenden Magnetkreis, wodurch eine periodische Kopplung mit einer Spule bewirkt wird, die einen Teil einer Verstärkerschaltung, vorzugsweise Transistorschaltung, bildet, deren Eingangskreis mit dem Ausgangskreis rückgekoppelt ist.

Es sind bereits elektrische Uhrenmotoren bekannt, die einen transistorbestückten Verstärker sowie ein bewegliches, einne Teil eines Magnetkreises bildendes Element in Form eines Pendels oder Rotationsschwingers enthalten. Mit dem beweglichen Element sind zwei getrennte, voneinander unabhängige Spulen gekoppelt. Die erste Spule ist an den Eingang eines Transistorverstärkers angeschlossen und liefert an diesen ein Steuersignal, das im Transistorverstärker verstärkt und der zweiten mit dem beweglichen Element gekoppelten Spule als Antriebssignal zugeführt wird. Eine elektrische Rückkopplung ist in der Verstärkerschaltung nicht vorgesehen. Es sind auch keine Maßnahmen getroffen, Störschwingungen zu unterdrücken.

Es ist ferner ein Frequenzstandard bekannt, der eine bifilar aufgehängte Spule enthält, welche die Steuergitter zweier Trioden verbindet, die einen Teil einer multivibratorähnlichen Schaltung bilden. Die Spule dient sowohl als Steuer- als auch als Arbeitsspule. Auch hierbei sind keine Maßnahmen zur Unterdrückung von Störschwingungen vorgesehen.

Es ist ferner ein elektrischer Schwingankermotor zum Antrieb von Rüttelsieben u. dgl. bekannt, der mit einem Verstärker regelbaren Verstärkungsgrades zusammenarbeitet, um die Schwingungsamplitude belastungsunabhängig zu machen. Mit dem Eingang des Verstärkers ist eine Spule gekoppelt, in der durch den Schwinganker ein elektrisches Signal induziert wird. Dieses Signal wird im Verstärker so weit verstärkt, daß sich die gewünschte Signalamplitude ergibt.

Es ist schließlich eine Anordnung zur kontaktlosen elektronischen Steuerung eines zeithaltenden Gerätes vorgeschlagen worden, bei der eine sowohl zur Steuerung als auch zum Antrieb dienende Spule mit einem Transistor und Kopplungsmitteln so zusammengeschaltet ist, daß durch die Relativbewegung eines vorzugsweise bewegten Permanentmagnets und der feststehenden Spule ein kurzdauernder Steuerimpuls solcher Größe auslösbar ist, daß er den Schwellwert des Transistors überschreitet und dadurch eine elektrische Rückkopplung über die Kopplungsmittel der Schaltung derart bewirkt, daß ent-Vorrichtung zur Umsetzung von elektrischer
Energie in mechanische und umgekehrt

Anmelder:

Clarence Hunter McShan, Great Neck, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Clarence Hunter McShan, Great Neck, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. März 1955 (498 180)

weder ein verstärkter Rechteckimpuls oder ein Hüllkurvenimpuls mehrerer Wellenzüge eines elektrischen Schwingungskreises auftritt und der Impuls die Spule als Treibimpuls beeinflußt. Eine zur Spule parallel geschaltete Kapazität bestimmt die Frequenz der während des induzierten Spannungsimpulses an der Spule erzeugten Schwingungen.

Es wurde nun festgestellt, daß bei elektrisch-mechanischen Wandlern während des Abklingens des elektrischen Schwingungsvorganges die Schaltung durch die in dem Parallelresonanzkreis aus Spuleninduktivität und Schaltungs- bzw. Streukapazitäten induzierten Spannungsstöße periodisch angestoßen werden können. Wenn in der Schaltung aber Störschwingungen einer anderen Frequenz auftreten, als durch die Bewegungen des mechanischen Gliedes vorgegeben ist, verringert sich der Wirkungsgrad der Energieumsetzung, und es treten Verzerrungen auf, die sich ebenfalls auf die Güte der Energieumsetzung auswirken.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, bei der eine wiederholte Entriegelung des Verstärkers durch Resonanzschwingungen in durch

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die Spuleninduktivität in Verbindung mit Schaltungsund Streukapazitäten gebildeten Resonanzkreisen verhindert wird und keine Störschwingungen auftreten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Rückkopplungszweig ein als Tiefpaß ausgebildetes Dämpfungsglied zugeordnet ist, das zur Verhinderung von Eigenschwingungen der Verstärkerschaltung so bemessen ist, daß die Verstärkerschal-

Sperrichtung vorgespannt, so daß normalerweise zwischen Emitter und Kollektor lediglich ein Sperrstrom fließt. Im Betrieb schwingt das Rad 80 um seine durch die Feder 85 bestimmte Ruhelage, und die Ma-5 gnete90bis93 induzieren beim Durchlauf en des Luftspaltes zwischen den Polschuhen 94, 95 des Stators 96 einen entsprechend magnetischen Fluß, der in dem oberen Teil der Wicklung 97, d. h. in der Steuerspule, eine entsprechende Spannung induziert, die der Basis

Kapazitäten und Widerstände des Tiefpaßdämpfungsgliedes können mindestens zum Teil durch Eigenwiderstand und Eigenkapazität der Spule gebildet werden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 eine Grundrißansicht und

F i g. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seiten-

tung nur bei induktiver Beaufschlagung der Spule io 98 des Transistors 99 zugeführt wird, so daß der durch das bewegliche Glied des Magnetkreises einen Transistor durch den Spannungsanstieg an der Basis Schwingungsimpuls liefert. leitend wird. Wenn der Transistor leitet, fließt ein

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besteht Strom vom Kollektor zum Emitter und durch den dadas Dämpfungsglied aus einem mit der Spule in Reihe zwischenliegenden Teil der Wicklung 97 (Triebspule), geschalteten Widerstand und einer mindestens einem 15 Das durch diesen Strom im Stator erzeugte Magnet-Teil des Widerstandes und der Spule nach Art eines feld ist so gepolt, daß es den schwingenden Magneten Parallelresonanzkreises parallel geschalteten Kapazi- vom Stator wegtreibt, so daß der Schwinger antat, und daß Tiefpaß-Kopplungsnetzwerk erfüllt die getrieben wird. Zugleich induziert dieser Strom in Bedingung i?²>4L/C. dem zwischen Basis und Emitter liegenden Teil der

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung 20 Wicklung 97 eine Spannung. Diese Spannung addiert sind die Werte der Induktivität der Spule, des Wider- sich zu der anfangs induzierten Spannung und erhöht Standes und der Kapazität bezüglich des Emitter- damit regenerativ den Rückkopplungsstrom in der Widerstandes des Transistors so bemessen, daß die Triebspule.

der elektromechanischen Kopplung parallelliegende Wenn der schwingende Magnet den Einflußbereich

elektrische Kopplung ausschließlich eine Gegenkopp- 25 des Stators verläßt, fällt die induzierte Spannung auf lung ist. Null ab, so daß der Rückkopplungsvorgang aufhört

und der Kollektorstrom schließlich auf den Sperrstromwert absinkt. Durch die plötzliche Sperrung des Transistors wird der Stromkreis mit der Wicklung 97 30 praktisch unterbrochen, da der Sperrstrom sehr klein gegenüber dem Kollektorstrom im leitenden Zustand ist. Es ist nun erfindungsgemäß zur Stabilisierung des Stromkreises eine Dämpfung vorgesehen, die verhindert, daß die Schaltung durch die in dem Parallelreso-

ansicht und das zugehörige Schaltbild einer einen 35 nanzkreis aus Induktivität der Wicklung 97 und der Rotationsschwinger enthaltenden Ausführungsform gesamten Schaltungskapazität (Streukapazität) wähgemäß der Erfindung. rend des Abklingens des Schwingungsvorganges in-

Fi g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeits- duzierten Spannungsstöße periodisch angestoßen wird, weise der in F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnung, F i g. 3 zeigt, daß der Rückkopplungsstrom i_c in

F i g. 4 und 5 eine Stirnansicht bzw. ein Schaltbild 40 der Wicklung 97 einen negativen Wert annimmt, einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfin- wenn der Transistor gesperrt wird, und dann infolge dung, die als Wendezeiger verwendbar ist. der kritischen Dämpfung, bei der die Bedingung

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung, R²>4L/C erfüllt sein muß, exponentiell auf Null die sich besonders für niedrige Frequenzen im Be- abfällt. Da das Verhältnis der Induktivität L zur reich von etwa 1 bis 150 Hz eignet, ist mit 80 ein 45 Streukapazität groß ist, wäre zur Erfüllung der obenradförmiger Rotationsschwinger bezeichnet, der wie genannten Bedingung ein relativ großer Widerstand R die Unruh einer Uhr hin und her schwingt. Eine line- (ζ. Β. 101) erforderlich, so daß dementsprechend are Rückstellkraft wird wie üblich durch eine Spiral- große Verluste an Antriebsenergie im Transistoreinfeder 85 erzeugt. gangskreis auftreten würden. Indem man erfindungs-Das Rad 80 besteht aus einem unmagnetischen 50 gemäß eine zusätzliche Kapazität C (105) vorsieht, Werkstoff und weist im Rand mehrere axial ver- kann man jedoch für den Widerstand R einen anlaufende Schlitze 86, 87, 88, 89 auf, in denen Perma- nehmbaren Wert erhalten. Um einen optimalen Wirnentmagnete 90, 91, 92 bzw. 93 angeordnet sind, die kungsgrad zu erreichen, ist es zweckmäßig, den abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert Widerstand R auf der Transistoreingangsseite 98 ansind. Der Bereich des Rades 80, in dem sich die Ma- 55 zuordnen. Der Widerstand R kann auch ganz oder gnete befinden, schwingt zwischen einander gegen- teilweise durch den Wicklungswiderstand gebildet überliegenden Polen 94, 95 eines feststehenden Ma- werden.

gneteisens96 mit einer Wicklung 97. Das obere Ende Die Kombination aus R, L und C bildet also ein

der Wicklung 97 ist an die Basis 98 eines Transistors zusätzliches Tiefpaß-Kopplungsnetzwerk, das eine 99 angeschlossen, dessen Kollektor 100 über einen 60 große Bandbreite gewährleistet, wie sie für kurze Im-Strombegrenzungswiderstand 101 und eine Batterie pulse mit kurzer Anstiegsdauer erforderlich ist. Die 102 an das untere Ende der Wicklung 97 angeschlos- Impedanz des Tiefpaß-Kopplungsnetzwerkes wird sen ist. Ein Mittelabgriff 103 der Wicklung 97 ist an klein gegenüber der vom mechanischen Schwinger in den Emitter 104 des Transistors angeschlossen. die Schaltung induzierten Impedanz gehalten, so daß Zwischen der Basis 98 und dem Kollektor 100 liegt 65 eine optimale Anpassung und Energieumsetzung geein Kondensator 105. währleistet ist. Die Verwendung des Widerstandes R

Der Transistor 99 ist durch die mit einem im induktiven Zweig eines Parallelresonanzkreises Widerstand 101 in Reihe geschaltete Batterie 102 in setzt die Güte und den Resonanzwiderstand des

LC-Kreises so weit herab, daß dieser Resonanzwiderstand hinreichend klein gegenüber dem induzierten Resonanzwiderstand ist. Unter diesen Bedingungen kann das System auschließlich infolge der elektromagnetischen Kopplung schwingen.

Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß die Dauer des Kollektorstromimpulses i_c größer sein kann als die Dauer der steuernden Spannung e_g. Die Impulsdauer wird durch die Werte von LCR und den Einfluß der Begrenzung bestimmt. Auf diese Weise kann man die dem Rotationsschwinger erteilte Antriebsenergie unabhängig von der Dauer des Steuerimpulses machen und den Kollektorimpuls i_c so lange dauern lassen, bis der schwingende Magnet aus dem Einflußbereich des Stators 96 austritt. Der Stator 96 kann gewünschtenfalls ein zweites Paar Polschule enthalten, die einen weiteren Drehschwinger mit einem Dauermagneten antreiben. Im Betrieb kann dann der erste Drehschwinger eine Impulsreihe 190, 191 ... erzeugen, während der zweite Drehschwinger Impulse 192, 193 ... liefert, die jeweils in der Mitte zwischen den erstgenannten Impulsen liegen. Die beiden Drehschwinger synchronisieren sich automatisch, und die Anordnung kann beispielsweise für die Zeitgeberzwecke verwendet werden.

F i g. 4 und 5 zeigen die Anwendung der Erfindung auf einen Wendezeiger. Eine Stimmgabel 116 ist mit einem Objekt verbunden, dessen Dreh- oder Wendebewegungen um die Längsachse der Gabel gemessen werden sollen. Die Zinken der Gabel 116 schwingen in einem Luftspalt 117 zwischen zwei einander gegenüberstehenden lameliierten Polschuhen 118, 119 von Dauermagneten 128, 129.

Bohrungen 120, 121 des oberen Polschuhes 118 nehmen eine Spule 130 mit einer Mittelanzapfung 131 auf. Bohrungen 124, 125 des unteren Polschuhes 119 sind mit zwei in Reihe geschalteten Wicklungen 132, 133 versehen, deren Verbindungspunkt an Masse liegt und deren Enden an ein Potentiometer 144 angeschlossen ist, zwischen dessen Schleifer 145 und Masse zwei Ausgangsklemmen 146 geschaltet sind. Ein Mittelabgriff 131 der Spule 130 ist an den Emitter 136 eines Transistors 137 angeschlossen, dessen Basis 138 über eine Drosselspule 139 und einen Kondensator 140 mit dem einen Ende der Spule 130 verbunden ist, dessen anderes Ende über eine elektrische Energiequelle 141 an den Kollektor 142 des Transistors angeschlossen ist. Die Basis 138 ist über einen Widerstand 143 mit dem Kollektor 142 verbunden.

Die Stimmgabel 116 wird durch die Wicklung 130 zu ungedämpften Seitwärtsschwingungen angeregt. Die Impedanzen der Wicklungen 130, 132, 133 sind so gewählt, daß durch die Rückkopplung des Transistorkreises eine stets gleiche treibende Kraft durch die Polschuhe 118, 119 ausgeübt wird.

Die Neigung der Schaltungsanordnung zu Störschwingungen wird durch die als Tiefpaß wirkende Drosselspule 139 unterdrückt.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung können die gesonderten Widerstände und Kondensatoren eingespart werden, wenn man dafür sorgt, daß die Spulenwicklung des Wandlers einen entsprechenden Widerstand und eine entsprechende Kapazität hat. So kann man beispielsweise die Kapazität der Wicklung dadurch erhöhen, daß man eine bifilare Wicklung mit Mittelabgriff verwendet, deren beide Hälften so geschaltet sind, daß sich die in ihnen induzierten Spannungen addieren. Den Widerstand kann man dadurch erhöhen, daß man Draht aus Widerstandslegierungen verwendet. Die ganze Schaltung kann dann aus einer speziellen Spule, einem Transistor und einer Batterie bestehen. Der Widerstand der Spule kann den Gleichstrom des Transistors stabilisieren, Temperaturschwankungen kompensieren, den Gütewert der Wicklung herabsetzen und den Rückkopplungszweig hinreichend dämpfen, so daß elektrische Schwingungen unerwünschter Frequenz unterdrückt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sie läßt sich vielmehr auch auf Resonanzrelais, Signalzerhacker, mechanische und magnetische Modulatoren, Zungenfrequenzmesser, Vieltongeneratoren, zeithaltende Geräte, Stimmgabelgeneratoren, Tonabnehmer usw. anwenden. Auch die beschriebenen Ausführungsformen lassen sich in verschiedener Weise abändern. Man kann eine Spule ohne Mittelanzapfung verwenden, die in einem Stromzweig liegt, der sowohl dem Eingangskreis als auch dem Ausgangskreis des Verstärkers gemeinsam ist. Das schwingende Bauteil kann ein Pendel sein, das einen Permanentmagnet trägt, der in einen eisenfreien, lediglich durch die Spule gebildeten Statorkreis eintaucht. Bei Tonabnehmern und anderen nicht selbstschwingenden Wandlern wird der Verstärkungsgrad im Rückkopplungskreis natürlich kleiner als 1 bemessen.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umsetzung von elektrischer Energie in mechanische und umgekehrt, z. B. für Stimmgabelgeneratoren oder Tonabnehmer, mit einem ein bewegliches Glied enthaltenden Magnetkreis, wodurch eine periodische Kopplung mit einer Spule bewirkt wird, die einen Teil einer Verstärkungsschaltung, vorzugsweise Transistorschaltung, bildet, deren Eingangskreis mit dem Ausgangskreis rückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rückkopplungszweig ein als Tiefpaß ausgebildetes Dämpfungsglied zugeordnet ist, das zur Verhinderung von Eigenschwingungen der Verstärkerschaltung so bemessen ist, daß die Verstärkerschaltung nur bei induktiver Beaufschlagung der Spule durch das bewegliche Glied des Magnetkreises einen Schwingungsimpuls liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied aus einem mit der Spule (97) in Reihe geschalteten Widerstand (101) und einer mindestens einem Teil des Widerstandes und der Spule nach Art eines Parallelresonanzkreises parallel geschalteten Kapazität (105) besteht und daß das Tiefpaß-Kopplungsnetzwerk die Bedingung .R² > 4 L/C erfüllt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Induktivität der Spule, des Widerstandes und der Kapazität bezüglich des Emitterwiderstandes des Transistors so bemessen sind, daß die der elektromechanischen Kopplung parallelliegende elektrische Kopplung ausschließlich eine Gegenkopplung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstand und Kapazität wenigstens zum Teil durch Wicklungswider-

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stand bzw. Wicklungskapazität der Spule gebildet USA.-Patentschriften Nr. 2 297 084, 2 467 748,

werden. 2 574136;

In Betracht gezogene Drackschriften: britische Patentschrift Nr. 601712;

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 039 945, französische Patentschriften Nr. 1 090 564,

967; 5 1092411.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen