DE1171188C2

DE1171188C2 - Vorrichtung zum umsetzen von elektrischer energie in mechanische schwingungsenergie

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

Description

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den Impulses eintreten kann, unnötige Energie ver- wegtreibt, so daß der Schwinger angetrieben wird,

braucht. Dies war bisher nicht erkannt worden, und Zugleich induziert dieser Strom in dem zwischen Ba-

man hat den Antrieb des beweglichen Gliedes durch sis und Emitter liegenden Teil der Wicklung 97 eine

einen einzigen unipolaren Impuls bzw. durch einen Spannung. Diese Spannung addiert sich zu der an-

mehrere Schwingungsperioden umfassenden Schwin- 5 fangs induzierten Spannung und erhöht damit regene-

gungsimpülszug als gleichwertig angesehen, wie der rativ den Strom in der Triebspule,

obenerwähnte ältere Vorschlag zeigt: Ein weiterer, Wenn der schwingende Permanentmagnet den

wesentlicher Vorteil des Erfindungsgegenstandes be- Einflußbereich des Stators verläßt, fällt die induzierte

steht außerdem in einer erheblichen Verbesserung der Spannung auf Null ab, so daß der Rückkopplungsvor-

Ganggenauigkeit des zeithaltenden Geräts. io gang aufhört und der Kollektorstrom schließlich auf

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Er- den Sperrstromwert,'absinkt. Durch dieiplötzlicheSper-

findung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher rung des Transistors wird der Stromkreis mit der

erläutert; es zeigt Wicklung 97 praktisch unterbrochen, da der Sperr-

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein drehbar gelagertes strom sehr klein gegenüber dem Kollektorstrom im Rad das einen Rotationsschwinger bildet und einen 15 leitenden Zustand ist. Es ist nun erfindungsgemäß zur zugehörigen Stator für den Magnetkreis einer Vor- Stabilisierung des Stromkreises eine Dämpfung vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er- gesehen, die verhindert, daß die Schaltung durch die findung bilden, in dem Parallelresonanzkreis aus Induktivität L der

F i g. 2 eine Seitenansicht des teilweise geschnitte- Wicklung 97 und der gesamten Schaltungskapazität C nen Rades und des Stators sowie das Schaltbild einer ao (Streukapazität) während des Abklingens des Kollek-Verstärkerschaltüng für dieses Ausführungsbeispiel torstromimpulses induzierten Spannungsstöße perioder Erfindung und disch angestoßen wird.

F i g. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen F i g. 3 zeigt, daß der Rückkopplungsstrom i_c in

Verlaufes von Signalen, auf die bei der Erläuterung der Wicklung 97 einen negativen Wert annimmt,

der Arbeitsweise des Ausführungsbeispieles gemäß 25 wenn der Transistor gesperrt wird, und dann infolge

F i g. 1 und 2 Bezug genommen wird. der kritischen Dämpfung, bei der die Bedingung

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung, die R²^>4L/C erfüllt sein muß, exponentiell auf Null

sich besonders für niedrige Frequenzen im Bereich abfällt. Da das Verhältnis der InduktivitätL zur

von etwa 1 bis 150Hz eignet, enthält ein Rad 80, das Streukapazität groß ist, wäre zur Erfüllung der oben-

Rotationsschwinger bildet, die wie die Unruh einer 30 genannten Bedingung ein relativ großer Widerstand R

Uhr hin und her schwingt. Eine lineare Rückstellkraft (z. B. 101) zur Dämpfung erforderlich, so daß dem-

wird wie üblich durch eine Spiralfeder 85 erzeugt. entsprechend große Verluste an Arbeitsenergie im

Das Rad 80 besteht aus einem unmagnetischen Transistoreingangskreis auftreten würden. Indem man

Werkstoff und weist am Rand mehrere axial ver- erfindungsgemäß eine zusätzliche Kapazität C (105)

laufende Schlitze 86, 87, 88, 89 auf, in denen Perma- 35 vorsieht, kann man jedoch für den Widerstand R

nentmagnete 90, 91, 92 bzw. 93 angeordnet sind, die einen annehmbaren Wert erhalten. Um einen optima-

abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert len Wirkungsgrad zu erreichen, ist es zweckmäßig,

sind. Der Bereich des Rades 80, in dem sich die Ma- den Widerstand R auf der Transistoreingangsseite an-

gnete befinden, schwingt zwischen einander gegen- zuordnen. Der Widerstand R kann auch ganz oder

überliegenden Polen 94, 95 eines feststehenden Sta- 4° teilweise durch den Wicklungswiderstand gebildet

tors 96 aus Magneteisen mit einer Wicklung 97. Das - werden.

obere Ende der Wicklung 97 ist an die Basis 98 eines Die Kombination aus R, L und C bildet also ein Transistors 99 angeschlossen, dessen Kollektor 100 zusätzliches Tiefpaß-Kopplungsnetzwerk, das eine über einen Strombegrenzungswiderstand 101 und eine große Bandbreite gewährleistet, wie sie für kurze ImBatterie 102 an das untere Ende der Wicklung 97 an- 45 pulse mit kurzer Anstiegsdauer erforderlich ist. Die geschlossen ist. Ein Mittelabgriff 103 der Wicklung Impedanz des Tiefpaß-Kopplungsnetzwerkes wird 97 ist an den Emitter 104 des Transistors angeschlos- klein gegenüber der vom mechanischen Schwinger in sen. Zwischen der Basis 98 und dem Kollektor 100 die Schaltung induzierte Impedanz gehalten, .so daß liegt ein Kondensator 105. eine optimale Anpassung und Energieumsetzung ge-

Der Transistor 99 ist durch die mit einem 50 währleistet ist. Die Verwendung des Widerstandes R Widerstand 101 in Reihe geschaltete Batterie 102 in im induktiven Zweig eines Parallelresonanzkreises Sperrichtung vorgespannt, so daß normalerweise zwi- setzt die Güte und den Resonanzwiderstand des sehen Emitter und Kollektor lediglich ein Sperrstrom LC-Kreises so weit herab, daß dieser Resonanzfließt. Im Betrieb schwingt das Rad 80 um seine widerstand hinreichend klein gegenüber dem induzierdurch die Spiralfeder 85 bestimmte Ruhelage, und 55 ten Resonanzwiderstand ist. Unter diesen Bedingungen die Permanentmagnete 90 bis 93 induzieren beim kann das System ausschließlich infolge der elektro-Durchlaufen des Luftspaltes zwischen den Polen 94, magnetischen Kopplung schwingen.
95 des Stators 96 einen entsprechend magnetischen Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Dauer eines KoI-Fluß, der in dem oberen Teil der Wicklung 97, d. h. lektorstromimpulses 190, 191 usw. größer sein kann in der Steuerspule, eine entsprechende Spannung in- 60 als die Dauer der steuernden Spannung e_g. Die Imduziert, die der Basis 98 des Transistors 99 zugeführt pulsdauer wird durch die Werte von L, R und C sowird, so daß der Transistor durch den Spannungs- wie den Einfluß der Begrenzung bestimmt. Auf diese anstieg an der Basis leitend wird. Wenn der Tran- Weise kann man die dem Rotationsschwinger erteilte sistor leitet, fließt ein Strom vom Kollektor zum Emit- Antriebsenergie unabhängig von der Dauer des ter und durch den dazwischenliegenden Teil der 65 Steuerimpulses machen und den Kollektorimpuls so Wicklung 97 (Triebspule). Das durch diesen Strom lange dauern lassen, bis der schwingende Magnet aus im Stator erzeugte Magnetfeld ist so gepolt, daß es dem Einflußbereich des Stators 96 austritt. Der Staden schwingenden Permanentmagneten vom Stator tor 96 kann gewünschtenfalls ein zweites Paar Pol-

schuhe enthalten, die einen weiteren Drehschwinger mit einem Permanentmagneten antreiben. Im Betrieb kann dann der erste Drehschwinger eine Impulsreihe mit Kollektorstromimpulsen 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 Zeitgeberzwecke verwendet werden.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung können die gesonderten Widerstände und Kondensatoren eingespart werden, wenn man dafür sorgt, daß die Spulenwicklung 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

ίο Gütewert der Wicklung herabsetzen und den Rückkopplungszweig hinreichend dämpfen, so daß elektrische Schwingungen unerwünschter Frequenz unterdrückt werden.

Das schwingende Bauteil kann auch ein Pendel sein, das einen Permanentmagnet trägt, der in einen eisenfreien, lediglich durch die Spule gebildeten Sta- =torkreis eintaucht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: sehe Verlagsgesellschaft Geest & Portrig, Leipzig, 1953, ist es weiterhin bekannt, Verstärker mittels eines Gegenkopplungsweges zu stabilisieren und zur Vermeidung von übersteuerungsbedingten Instabilitäten in den Gegenkopplungsweg solche Netzwerke einzuschalten, daß die Stabilität gewährleistet ist. Aus dem Buch von P i t s c h, »Lehrbuch der Funkempfangstechnik«, Band. II, 3. Auflage, S. 650 bis 653, ist es bekannt, im Niederfrequenzteil eines Rundfunk-

1. Vorrichtung zum Umsetzen von elektrischer
Energie in mechanische Schwingungsenergie für
zeithaltende Geräte, mit einem Magnetkreis, der
ein periodisch bewegliches Glied enthält und mit
einer Spule gekoppelt ist; die einen Teil einer
Transistor-Verstärkerschaltung bildet, deren Ausgangskreis zur Aufrechterhaltung einer perio- io empfängers eine Mitkopplung vorzusehen, um die tiedischen Bewegung des beweglichen Gliedes durch fen Frequenzen anzuheben.

einen die Spulen enthaltenden Mitkopplungszweig Aus dem Buch von Vilbig, »Lehrbuch der Hoch-

mit ihrem Eingangskreis gekoppelt ist, d a d u r c h frequenztechnik«, Bd. II, Leipzig 1944, S. 88 bzw. gekennzeichnet, daß die Enden der Spule 140, ist es bekannt, daß sich die bei Röhrengenerato-(97) mit einem Dämpfungswiderstand (R, 101) 15 ren manchmal auftretenden, sehr hochfrequenten und einer in Reihe mit diesem geschalteten Kapa- Schwingungen, die zu einer Zerstörung der Röhre

zität (C, 105) verbunden sind, die die Bedingung R²>4L/C (L = Induktivität der Spule) erfüllen und für kurze Antriebsimpulse mit kurzer Anstiegsdauer bemessen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand und die Kapazität mindestens zum Teil aus dem Wicklungswiderstand und der Eigenkapazität der Spule (97) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand im Eingangskreis des Transistors (99) angeordnet ist.

führen können, durch Einschalten einer Drossel in die Gitterleitung beseitigen lassen, ferner daß bei Niederfrequenz- und Breitbandverstärkern eine Mitkopplung vorgesehen werden kann, wenn einzelne Frequenzen bevorzugt verstärkt werden sollen.

Es ist ferater in der deutschen Patentschrift 1 073 967 eine Anordnung zur kontaktlosen elektronischen Steuerung eines zeithaltenden elektrischen Gerätes vorgeschlagen worden, bei der eine sowohl zur Steuerung als auch zum Antrieb dienende Spule mit einem Transistor und Kopplungsmittel so zusammengeschaltet ist, daß durch die relative Bewegung eines vorzugsweise bewegten Permanentmagneten bezüglich der Spule ein kurzdauernder Steuerimpuls

solcher Größe auslösbar ist, daß er den Schwellwert

des Transistors überschreitet und dadurch eine elektrische Mitkopplung über die Kopplungsmittel der

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrich- Schaltung derart bewirkt, daß entweder ein verstärktung zum Umsetzen von elektricher Energie in me- 35 ter Rechteckimpuls oder ein Füllkurvenimpuls mehchanische Schwingungsenergie, für zeithaltende Ge- rerer Wellenzüge eines elektrischen Schwingungsräte, mit einem Magnetkreis, der ein periodisch be- kreises auftritt und die Spule als Treibimpuls beeinwegliches Glied enthält und mit einer Spule gekoppelt flußt. Eine zur Spule parallelgeschaltete Kapazität beist, die einen Teil einer Transistor-Verstärkerschal- stimmt die Frequenz der während des induzierten tung bildet, deren Ausgangskreis zur Aufrechterhai- 40 Spannungsimpulses in der Spule erzeugten Schwintung einer periodischen Bewegung des beweglichen gungen.

Gliedes durch einen die Spule enthaltenden Mit- Bei vielen zeithaltenden Geräten, z.B.elektrischen

kopplungszweig mit ihrem Eingangskreis gekoppelt Armbanduhren, ist ein geringer Energieverbrauch von ist. ausschlaggebender Bedeutung, da ein Auswechseln

Aus der französischen Patentschrift 1 090 564 sind 45 der meist aus einer kleinen Knopfzelle bestehenden bereits elektrische Uhrenmotoren bekannt, die einen Stromquelle in kürzeren Abständen als etwa einem transistorbestückten Verstärker sowie ein bewegliches, Jahr als für den Benutzer nicht tragbar angesehen einen Teil eines Magnetkreises bildendes Glied in wird.

Form eines Pendels oder Rotationsschwingers ent- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zuhalten. Mit dem beweglichen Glied sind eine mit 50 gründe, den Energieverbrauch der oben diskutierten dem Eingang des Verstärkers verbundene Aufneh- bekannten und vorgeschlagenen Vorrichtungen damerspule und eine mit dem Ausgang des Verstärkers durch zu verringern, daß das von der Spulenenergie gekoppelte Antriebsspule verbunden. Eine Rück- möglicherweise hervorgerufene unerwünschte Aufkopplung ist für den Verstärker nicht vorgesehen. steuern des Transistors außerhalb der gewollten Takt-Der Begriff »Rückkopplung« wird hier als Ober- 55 zeiten verhindert wird.

begriff für die »positive«, das Entstehen von selbst- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der

eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Enden der Spule mit einem Dämpfungswiderstand und einer mit diesem in Reihe geschalteten Kapazität verbunden sind, die die Bedingung #2 > 4 L/C (L = Induktivität der Spule) erfüllen und für kurze Antriebsimpulse mit kurzer Anstiegsdauer bemessen sind.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfinmultivibrator-ähnlichen Schaltung bilden. Die Spule 65 dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet, dient sowohl als Steuer- als auch als Antriebsspule. Es wurde nämlich gefunden, daß ein mehrmaliges

Aus dem Buch von R othe und Kleen, »Elektro- Auf tasten des Transistors während eines Antriebsnenröhren als Anfangsstufenverstärker«, Akademi- impulses, das insbesondere am Ende des antreiben

erregten Schwingungen fördernde Mitkopplung, sowie die »negative« dem Entstehen von selbsterregten Schwingungen entgegenwirkende, stabilisierende Gegenkopplung verstanden.

Es ist ferner aus der USA.-Patentschrift 2 574 136 ein Frequenzstandard bekannt, der eine einzige bifilar aufgehängte Spule enthält, welche die Steuergitter zweier Dreipolröhren verbindet, die einen Teil einer