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Transistor-Schaltverstärker, insbesondere zur Anwendung bei sich selbst
steuernden Uhrenantrieben Es sind Transistor-Schaltverstärker bekannt, bei denen
zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors eine Steuerwicklung, zwischen
dem Kollektor und dem Emitter eine Arbeitswicklung und in Serie zu der Arbeitswicklung
eine vorzugsweise aus einer Monozelle bestehende Spannungsquelle vorgesehen sind.
In der Steuerwicklung erzeugte Spannungsimpulse rufen hierbei in der Arbeitswicklung
verstärkte Impulse hervor, die zur Aufrechterhaltung einer mechanischen Schwing-oder
Drehbewegung benutzt werden. Bei zeithaltenden Anlagen kann ein derartiger Schaltverstärker
entweder direkt auf das zeithaltende Glied, z. B. ein Pendel oder eine Unruh, einwirken,
er kann aber auch das Antriebssystem eines periodisch oder dauernd umlaufenden Motors
bilden, der zum Antrieb einer Uhr benutzt wird.
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Bei Verwendung einer solchen Transistor-Schaltanordnung zum Antrieb
von zeithaltenden Anlagen muß der Strom in der Arbeitswicklung und damit die Antriebsleistung
des Systems möglichst konstant gehalten werden. Mit den heute bekannten Schaltungen
ist dies praktisch nicht möglich, da die Spannung der verwendeten Trockenbatterien
während des Betriebes der Uhr im Laufe der Zeit von 1,7 Volt auf etwa 0,8 Volt absinkt.
Mit abnehmender Batteriespannung sinkt aber auch die Stromstärke und damit die vom
Schaltverstärker abgegebene Arbeitsleistung. Es sind Schaltungsanordnungen bekanntgeworden,
bei denen der Einfluß der absinkenden Batteriespannung auf das mechanische System
in gewissen Grenzen kompensiert wird. Diese Anordnungen verschlechtern jedoch den
Wirkungsgrad des Schaltverstärkers, oder sie sind kompliziert und aufwendig aufgebaut.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transistor-Schaltverstärker
der oben beschriebenen Art, bei dem durch verhältnismäßig einfache Mittel der Einfluß
der Batteriespannung in einem verhältnismäßig weiten Bereich nahezu vollständig
kompensiert wird. Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, bei einem Transistor-Schaltverstärker,
insbesondere zur Anwendung bei sich selbst steuernden Uhrenantrieben, bei dem im
Arbeitskreis eine nicht konstante Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Trockenbatterie
als Energiequelle vorgesehen ist, bei dem zwischen Basis und Emitter eine Steuerwicklung
angeordnet ist, bei dem die im Arbeitsstromkreis erzeugten Schaltimpulse zum Antrieb
eines mechanisch schwingenden oder rotierenden Systems dienen, durch dessen Bewegung
dem Transistor periodisch Steuerimpulse zugeführt werden und bei dem Mittel zur
Konstanthaltung des- Arbeitsstromes vorgesehen sind, mit der Basis des Transistors
den einen Belag eines Kondensators zu verbinden und den anderen Belag des Kondensators
an einen vorzugsweise als Transistor ausgebildeten elektronischen Schalter zu legen,
welcher von der Arbeitswicklung des Transistors gesteuert wird und ein periodisches
Entladen des Kondensators bewirkt, wodurch an die Basis des Transistors ein von
der Höhe der Gleichspannung abhängiger Regelimpuls gelangt, welcher dem Steuerimpuls
an der Basis des Transistors entgegenwirkt, so daß die wirksame Steuerspannung an
der Basis des Transistors bei größeren Werten der Gleichspannung kleiner ist als
bei niedrigen.
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Eine besonders hohe Aufladung dieses Kondensators wird dann erzielt,
wenn die Steuerwicklung eine möglichst hohe Induktivität aufweist. Dies ist besonders
in der Kollektorschaltung des Arbeitstransistors der Fall. Zur Erzielung einer hohen
Rufladung des Regelkondensators kann die Induktivität der Steuerspule des Arbeitstransistors
auch größer als erforderlich gewählt werden, wobei das eine Ende dieser Steuerspule
mit dem einen Belag des Regelkondensators verbunden und die Basis des Arbeitstransistors
an eine Anzapfung der Steuerspule gelegt wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können in die Kollektor-
und in die Basiszuleitung des Schalttransistors Induktivitäten gelegt werden, die
in Rückkopplungsschaltung mit dem Schalttransistor eine Sperrschwingung erzeugen.
Zweckmäßig wird der Kopplungsgrad dieser beiden Spulen nur so groß gewählt, daß
erst beim Überschreiten einer bestimmten Größe der von der Arbeitsspule des Arbeitstransistors
herrührenden Steuerimpulse die Sperrschwingung einsetzt.
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Eine besonders vorteilhafte Einrichtung ergibt sich, wenn die in der
Sperrschwingeranordnung vorgesehenen
Spulen von einer mit dem Gangordner
verbundenen Blende getrennt werden, wobei diese Blende mit einem Ausschnitt versehen
wird, der beim überschreiten einer bestimmten Amplitude des Gangordners das Einsetzen
der Sperrschwingung bewirkt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Patentansprüchen. Im einzelnen
stellt dar F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der nach der Erfindung vorgeschlagenen
Transistorschaltung, F i g. 2 eine Variante der in F i g. 1 dargestellten Schaltung
als Speicherschaltung, F i g. 3 eine Variante der in F i g. 2 dargestellten Schaltung,
bei der der Regeltransistor als Sperrschwinger arbeitet, F i g. 4 ein Spannungsdiagramm
zur Erläuterung der in F i g. 3 dargestellten Schaltung, F i g. 5 eine schematische
Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung in Verbindung mit einer durch
einen Elektromotor angetriebenen Uhr, F i g. 6 die in F i g. 5 dargestellte, mit
dem Gangordner verbundene Vorrichtung in einer senkrechten Ansicht und F i g. 7
den in F i g. 5 dargestellten Antriebsmotor ebenfalls in einer senkrechten Ansicht.
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In der in F i g. 1 dargestellten Schaltung soll T1 beispielsweise
einen p-n-p-Germanium-Transistor darstellen, in dessen Arbeitskreis zwischen Kollektor
und Emitter eine Trockenbatterie B und eine Arbeitsspule L1 in Reihe geschaltet
sind. In dem Steuerkreis zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T1 liegt
eine Steuerspule L2. Mit der Basis des Transistors T1 ist ferner der eine Belag
eines Kondensators C1 verbunden, dessen anderer Belag zu dem Kollektor eines Transistors
T2 führt. Der Kollektor des Regeltransistors T2 ist über einen geeignet bemessenen
Widerstand R1 an die Spannung der Trockenbatterie B gelegt. Die Basis des Transistors
T2 ist mit der gemeinsamen Nulleitung N verbunden, und der Emitter des Transistors
T2 ist an das eine Ende einer Koppelspule L3 angeschlossen, die mit ihrem anderen
Ende ebenfalls an der Nulleitung N liegt. Zwischen der Basis und dem Emitter des
Transistors T2 kann ferner noch ein Regelpotentiometer P vorgesehen sein. Die Spule
L3 ist induktiv mit der Arbeitsspule L1 des Transistors T1 gekoppelt.
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Die Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Anordnung ist nun
die folgende: Erhält die Steuerspule L2 durch einen an ihr vorbeilaufenden Permanentmagneten
einen Impuls, bei dem die Basis des Transistors T1 negativ wird, so wird der Transistor
T1 leitend, so daß durch die Arbeitsspule L1 ein Strom fließt, dessen Feld auf einen
zweiten Permanentmagneten einen Antriebsimpuls ausüben kann. Gleichzeitig wird über
die Kopplung zwischen L1 und L3 in L3 eine Spannung induziert, die an dem Emitter
des Transistors T2 eine in bezug auf die Basis positive Spannung erzeugt, durch
die der Transistor T2 ebenfalls leitend wird. Die in dem Kondensator C1 über den
hochohmigen Widerstand R1 gespeicherte Ladung kann daher über den Transistor T2
abfließen, so daß an dem rechten Belag des Kondensators C1 eine positive Ladung
zur Wirkung kommt, die der in der Steuerspule L2 induzierten Steuerspannung entgegenwirkt.
Bei geeigneter Bemessung der Anordnung, insbesondere der Größe des Kopplungsgrades
der Spule L3, kann daher der Transistor T2 so ausgesteuert werden, daß bei einer
hohen Spannung der Trockenbatterie B ein großer Regelimpuls an die Basis des Transistors
T1 gelangt, der mit abnehmender Batteriespannung kleiner wird. Auf diese Weise ist
es somit möglich, in einem weiten Bereich der Batteriespannung, etwa zwischen 1,7
bis 1 Volt, in der Arbeitsspule L, Impulse von angenähert konstanter Stromstärke
zu erzielen. Das bei dem Beispiel in F i g. 1 zwischen der Basis und dem Emitter
des Transistors T2 vorgesehene Potentiometer kann bei geeigneter Bemessung der übrigen
Bestandteile der Schaltung auch fortgelassen werden.
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Bei der in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung liegt die Arbeitsspule
L1 unmittelbar in der Emitterzuleitung des Transistors T1, so daß hier eine sogenannte
Kollektorschaltung vorliegt. Bei dieser Schaltung ist es notwendig, der Steuerspule
L2 eine höhere Induktivität als der Arbeitsspule L1 zu geben. Da ferner in der Steuerspule
L2 durch den Permanentmagneten in der Sperrphase eine Spannung induziert wird, die
an der Basis des Transistors T1 eine Plus-Spannung erzeugt, kann die Speisezuleitung
zu dem Regeltransistor T2 auch fortgelassen werden, wobei die Aufladung des Regelkondensators
C1 durch diesen, in der Steuerspule L, erzeugten Impuls über die Basis-Kollektor-Strecke
des Regeltransistors T2 erfolgt. Eine weitere Vereinfachung ist dadurch vorgenommen
worden, daß der Emitter des Transistors T1 mit dem gemeinsamen Nulleiter verbunden
ist und die Basis des Transistors T2 an einer Anzapfung der Arbeitsspule L1 liegt.
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Während der Sperrphase der Anordnung liegt somit an dem rechten Belag
des Kondensators C1 eine relativ hohe positive Spannung und an dem anderen Ende
der Steuerspule L2 eine entsprechende negative Spannung, die über den Teil Li der
Arbeitsspule der Basis des Transistors T2 zugeführt wird. Infolgedessen lädt sich
über die in dieser Richtung leitende Basis-Kollektor-Strecke des Transistors T2
der linke Belag des Kondensators C1 negativ auf. In der nachfolgenden Arbeitsphase
erhält die Basis des Transistors T1 ein negatives Potential in bezug auf den Emitter,
so daß der Transistor T1 leitend wird. An dem oberen, mit dem Emitter verbundenen
Ende der Arbeitsspule Li liegt dann eine negative Spannung. Ein Teil dieser negativen
Spannung Li wird der Basis des Transistors T2 zugeführt, so daß dieser mehr oder
weniger leitend wird und die negative Ladung von dem linken Belag des Kondensators
C1 abfließen kann. Infolgedessen entsteht auch hier, ebenso wie bei dem in F i g.
1 dargestellten Ausführungsbeispiel, ein die Steuerspannung von L2 herabsetzender
positiver Regelimpuls, an der Basis von T1, dessen Größe mit der Batteriespannung
anwächst.
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Da während der Ladeperiode des Kondensators C1 an dem Kollektor des
Transistors T2 eine verhältnismäßig hohe positive Spannung und an dem Emitter eine
negative Spannung liegt, arbeitet der Transistor T2 auch im Inversbetrieb. Zur Vermeidung
dieses Effektes verwendet man zweckmäßig Transistoren, bei denen die Inversverstärkung
gering ist, was insbesondere dadurch erzielt werden kann, daß die Vorwärtsverstärkung
nicht unnötig groß gewählt und die zwischen Kollektor und Basis vorgesehene Sperrschichtfläche
wesentlich größer als die zwischen Basis und Emitter ausgeführt wird.
Bei
der in F i g. 3 dargestellten Schaltung ist die Induktivität der Steuerspule L2
besonders groß gewählt, wobei die Basis des Transistors T1 an eine Anzapfung dieser
Steuerspule L2 gelegt ist. Weiterhin befinden sich in der Basiszuleitung und in
der Kollektorzuleitung des Transistors T2 je eine Induktivität L4 und L., die in
geeigneter Weise miteinander gekoppelt oder koppelbar sind. Zur Unterdrückung unerwünschter
Schwingungen sind die Enden der Steuerspule L2, L2 durch einen Kondensator C2 und
die Zuleitungen zu Emitter und Basis des Transistors T2 durch einen weiteren Kondensator
C3 miteinander verbunden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel soll die Induktivität
L2 in der Sperrphase den Kondensator C1 aufladen. Die resultierende Spannung während
des Regelvorganges an der Basis des Transistors T1 ergibt sich aus F i g. 4. Mit
UL2 ist die gesamte in der Spule L., induzierte negative Steuerspannung bezeichnet.
betu gegenüber steht in der Arbeitsphase an der Basis des Transistors T1 nur eine
wirksame Spannung von UBTi zur Verfügung. Die in dem Teil L2 erzeugte Spannung ist
als positiver Teil von der gesamten in L2 induzierten Spannung abzuziehen. Hinzu
kommt noch die von dem Kondensator C1 herrührende Regelspannung UCi, die ebenfalls
die negative Steuerspannung an der Basis des Transistors T1 verringert.
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Wie bereits ausgeführt, sollen die beiden Spulen L4 und L" so miteinander
in Rückkopplungsschaltung liegen, daß erst durch den auf die Basis des Transistors
T2 übertragenen Auslöseimpuls der Transistor T2 eine Sperrschwingung ausführt. Diese
Sperrschwingung wird um so lebhafter angefacht, je höher die Batteriespannung ist
und soll beim Absinken der Batteriespannung unterhalb eines bestimmten Wertes, beispielsweise
von 1,0 Volt nicht mehr auftreten.
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Die in F i g. 3 dargestellte Schaltung erweist sich dann als besonders
vorteilhaft, wenn die beiden Induktivitäten L4 und L, durch eine mit dem Gangordner
verbundene Blende getrennt werden, die die Sperrschwingung normalerweise unterdrückt,
wobei diese Blende einen Ausschnitt aufweist, der beim überschreiten einer bestimmten
Amplitude des Gangordners das Einsetzen der Sperrschwingung-bewirkt. Eine solche
Anordnung ist schematisch in den F i g. 5 und 6 dargestellt. Mit 1 ist der Rotor
eines Transistormotors bezeichnet, der über die Schnecke 2 zum Aufziehen einer nicht
dargestellten Pufferfeder und zum Antrieb eines Zeigerwerkes dient. Der Rotor 1
weist im Abstand voneinander zwei Arme 3 und 4 auf, die an ihrem Ende gegenüberliegend
mit Permanentmagnete 5 bzw. 6 versehen sind. Zwischen den Magneten 5 ist die Steuerspule
L2 und zwischen den Magneten 6 ist die Arbeitsspule L1 dargestellt. Die Zuleitungen
dieser Spulen führen zu der Verstärkeranordnung 7. Mit der Verstärkeranordnung 7
sind auch die Spulen L4 und L5 verbunden, die hier mit einem ferromagnetischen Joch
8 versehen sind. In dem Luftspalt des Joches 8 ist eine Scheibe 9 drehbar vorgesehen.
Die Scheibe 9 befindet sich auf der Welle 10 eines mit einer Spiralfeder
11 versehenen Gangordners. Die Scheibe 9 weist ferner einen Ausschnitt 12
auf.
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Wird beispielsweise der Rotor 1 des Elektromotors in Pfeilrichtung
in F i g. 7 angestoßen, so überstreichen die Magnete 5 die Steuerspule L2, während
die Magnete 6 sich über die Arbeitsspule L1 hinwegbewegen. In der Sperrphase wird
dann der Kondensator Cl aufgeladen. In der Öffnungsphase des Transistors T1 wird
zwar von C1 ein Regelimpuls auf die Basis des Transistors T1 ausgeübt, die Sperrschwingung
setzt jedoch noch nicht ein. Die vom Rotor 1
gespannte Pufferfeder setzt nun
den Gangregler in Bewegung. Wird eine Amplitude von etwa 180° am Gangregler erhalten,
so gelangt der Ausschnitt 12 in der Scheibe 9 in den Spalt des ferromagnetischen
Joches 8, wodurch die Sperrschwingung des Transistors T2 einsetzt, so daß jetzt
sehr kräftige Regelimpulse an die Basis des Transistors T1 abgegeben werden. Hierdurch
kann die Antriebsleistung des Motors soweit reduziert werden, daß die Uhr bei einer
praktisch konstanten Spannung der Pufferfeder und mit einer konstanten Amplitude
des Gangreglers auch bei verschiedener Batteriespannung arbeitet. Durch das periodische
Wiederaufladen des Kondensators C1 wird eine zusätzliche Bremsung auf den Motor
ausgeübt. Mit dem Einsetzen der Sperrschwingung wird die Stromaufnahme der Anordnung
verringert.
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Die Sperrschwingeranordnung arbeitet auch bei tiefen Temperaturen
einwandfrei, da diese Schwingung durch die von der Arbeitsspule des Transistors
T1 herrührenden Initialimpulse angestoßen wird.