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Elektronischer Uhrenantrieb Das Hauptpatent bezieht sich auf einen
elektronischen Uhrenantrieb mit am Gangordner-Schwingsystem, beispielsweise Unruh
oder Pendel, befestigten Teil aus ferromagnetischem Material, der bei Annäherung
an die Antriebsspule die Induktivität eines Magnetkreises verändert und damit nach
Erreichen des Auslösekriteriums über eine mit einem Sperrkondensator arbeitende
Sperrschwingerschaltung dem zeitbestimmenden Schwingsystem unmittelbar Antriebsimpulse
zuführt.
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Um zu erreichen, daß die Antriebsimpulse hinsichtlich ihrer Intensität
und Dauer völlig gleich sind und damit der Energieinhalt der Antriebsimpulse konstant
bleibt, wird dabei gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs der während der Impulsdauer
aufgeladene Sperrkondensator so bemessen und geschaltet, daß er jeweils nur die
Bildung eines einzigen sehr kurzen Antriebsimpulses während jeder Halbschwingung
des Systems zuläßt. Die elektrische Steuerenergie für den als Schalter betriebenen
Transistor wird dabei ausschließlich einem elektromagnetischen Rückkopplungskreis
bzw. der Betriebsstromquelle entnommen, indem ein bestehendes elektrisches Gleichgewicht
zwischen dem Rückkopplungskreis und einem Gegenkopplungskreis zugunsten des Rückkopplungskreises
gestört wird, wenn der aus ferromagnetischem Material geringer Remanenz bestehende
Teil am Schwingsystem in den auslösenden Winkelbereich eintritt. Die während des
dadurch bewirkten Stromstoßes in den Spulenkernen gespeicherte magnetische Energie
wird dadurch zur Verlängerung des Antriebsimpulses ausgenutzt, indem die nach Abreißen
des Kollektorstromimpulses durch das zusammenbrechende Magnetfeld in den Wicklungen
induzierte Spannung eine diesen Wicklungen parallelgeschaltete Halbleiterdiode in
Flußrichtung polt und damit den Stromkreis für den antreibenden Strom schließt,
bis die gespeicherte Energie verbraucht ist.
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Das Schwingsystem wirkt dabei mit dem aus ferromagnetischem Material
bestehenden Teil derart auf die mit ortsfesten Kernen versehenen Wicklungen, daß
beim Annähern des aus ferromagnetischem Material bestehenden Tdils an diese Wicklungen
deren Induktivität erhöht wird. Dadurch wird der Stromimpuls ausgelöst, der auf
elektromagnetischem Wege das Schwingsystem beeinflußt, wenn dieses aus der Umkehrlage
nach der Mittelstellung zurückschwingt.
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Im Hauptpatent sind für die dort behandelten Ausführungsbeispiele
angegeben, daß der Antriebsimpuls nicht über den Zeitpunkt des Durchgangs des Schwingsystems
durch die Mittellage hinaus andauern darf, da sonst eine Abbremsung eintritt. Gemäß
der Zusätzerfindung kann jedoch eine in bestimmtem Umfang wirksame Abbremsung des
Schwingsystems vorteilhaft sein, um Amplitudenschwankungen, die durch Unregelmäßigkeiten
am mechanischen Schwingsystem, beispielsweise durch Änderung seiner Lagerreibung,
entstehen und Gangfehler verursachen können, in engen Grenzen zu halten. Gemäß der
Zusatzerfindung kann dies bei einem elektronischen Uhrenantrieb der eingangs näher
bezeichneten Art dadurch geschehen, daß durch entsprechende Festlegung der mechanischen
und elektrischen Ruhelage des Schwingsystems die Impulsauslösung bei einer solchen
Winkelstellung des schwingenden Systems erfolgt, daß der Stromimpuls über den Zeitpunkt
hinaus andauert, zu dem die den Antriebsimpuls für das schwingende System bestimmende
Tangentialkomponente des durch den Steuerimpuls erzeugten Magnetfeldes durch Null
geht und ihre Richtung umkehrt. Hierbei wird die Differenz zwischen dem beschleunigenden
und dem bremsenden Energieanteil mit wachsender Amplitude des Schwingsystems abnehmen,
mit kleiner werdender Amplitude des Schwingsystems dagegen zunehmen. Es läßt sich
somit eine Amplitudenstabilisierung erreichen, so daß Unregelmäßigkeiten am mechanischen
Schwingsystem, also Schwankungen der Unruh-Amplitude, kompensiert werden.
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Beim Gegenstand des Hauptpatents erfolgt dagegen die Energieübertragung
auf die Unruh nur durch die Tangentialkomponente des zwischen der Antriebsspule
und dem aus ferromagnetischem Material
bestehenden Teil der Unruh
wirksamen Magnetfeldes, die in der Änderung der Induktivität der Antriebsspule als
Funktion der Winkelstellung zum Ausdruck kommt. Bei Verkleinerung der Unruh-Amplitude
muß die zu übertragende Energie abnehmen, weil die während der Impulsdauer eintretende
Induktivitätsänderung infolge der Verringerung der Winkelgeschwindigkeit der Unruh
abnimmt. Wenn also beispielsweise die Lagerreibung einer Unruh beim übergang von
der lotrechten zur waagerechten Achslage zunimmt, müßte zur Aufrechterhaltung der
Amplitude der Unruhschwingung die Energiezufuhr eigentlich gesteigert werden. Bei
der Anordnung nach dem Hauptpatent nimmt sie jedoch bei der erwähnten Amplitudenverringerung
ab, so daß die Amplitude noch kleiner wird, als es allein durch Zunahme der Lagerreibung
zu erklären wäre.
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Es ergeben sich daher gemäß vorliegender Zusatzerfindung wesentlich
günstigere Verhältnisse, da die erzeugten Impulse konstanter Dauer und Intensität
in einer solchen Stellung dem Schwingsystem zugeführt werden, daß diese Impulse
mit einem der Amplitude des Schwingsystems entsprechenden Betrag über den Zeitpunkt
des Durchgangs durch den Schwingungsmittelpunkt hinaus andauern.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 zeigt, teilweise in schaubildlicher
Darstellung, den Gegenstand des Hauptpatents, dessen Wirkungsweise nachfolgend beschrieben
wird. Die Unruh des elektronischen Uhrenantrieb besitzt ein kleines Schwungrad mit
spiralförmiger Unruhfeder 2, das mit einer maximalen Auslenkung aus der Ruhelage
von etwa 220° schwingt. Am Umfang des Schwungrades 1 ist ein ferromagnetisches Teil
3 mit geringer Remanenz vorgeshen, der auf seinem Schwingungsweg zwischen die Schenkel
eines den Rückkopplungskreis tragenden Kerns 4 eintaucht. Der Rückkopplungskreis
besteht aus der Antriebswicklung L1 und der Rückkopplungswicklung L2, die mit den
Wicklungen L3 und L4 eines Gegenkopplungskreises mit dem Kern 5 zusammengeschaltet
sind. Im Schaltungszusammenhang steht damit ein Transistor T, der in Emitterschaltung
betrieben wird, eine Diode D und ein Sperrkondensator C, ferner die einen Spannungsteiler
bildenden Widerstände R1 und R1,. Der Spannungsteiler dient zur Einstellung des
Arbeitspunktes des Transistors T. Die an den Wicklungen des Rückkopplungskreises
und Gegenkopplungskreises angegebenen Bezeichnungen A und E deuten die Wicklungsanfänge
und Wicklungsenden bei gleichsinniger Bewicklung der Kerne in bezug auf den magnetischen
Fluß an.
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Um auf den ferromagnetischen Teil 3 von der Antriebswicklung L, einen
Antriebsimpuls ausüben zu können, ist es erforderlich, daß dieser Impuls in dem
Augenblick zur Einwirkung gebracht wird in dem der schwingende ferromagnetische
Teil 3 zwischen die Schenkel des Kerns 4 des Rückkopplungskreises einzutauchen beginnt.
Der Antriebsimpuls soll dabei nur bis zu dem Zeitpunkt andauern, bis der Teil 3
zwischen die Schenkel dieses Kerns voll eingetaucht ist. Die dann erreichte Stellung
entspricht der mechanischen Ruhestellung des Schwungrades 1, in welcher die Unruhfeder
2 völlig entspannt ist und auf die Unruh daher kein Drehmoment ausgeübt wird. Diese
Ruhestellung stellt zugleich die Mittellage der Unruhschwingung dar. Auch von der
Antriebsspule L, wird kein Antriebsmoment auf die Drehachse der Unruh mehr ausgeübt,
weil in dieser Stellung auf den ferromagnetischen Teil 3 und damit auf das Schwungrad
1 keine Kraftkomponente in tangentialer Richtung übertragen wird.
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Die zur Aufrechterhaltung der Schwingung des Uhrenantriebs erforderlichen
kurzen, aber verhältnismäßig kräftigen Stromimpulse durchfließen die Antriebswicklung
Ll nur dann, wenn der ferromagnetische Teil 3 zwischen die Schenkel der Kerns 4
einzutauchen beginnt. Damit der Antriebsimpuls genau im richtigen Zeitpunkt, also
bei der erwähnten Stellung des Schwungrades 1, ausgelöst wird, muß eine Synchronisierung
mit einer Sperrschwingerschaltung erfolgen. Dies wird durch Verstimmung einer aus
dem Rückkopplungskreis L../L. und dem Gegenkopplungskreis L3/L4 bestehenden Brückenschaltung
erreicht, die in der m der F i g. 1 gezeichneten Stellung des Schwungrades 1 etwa
im Gleichgewicht ist. Die Wicklungen L1. . . L4 sind zu diesem Zweck derart
dimensioniert und gepolt, daß eine in den Wicklungen L1 und L3 auftretende Stromänderung
in den Wicklungen L, und L4 eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete
Spannung induziert. Demzufolge ist die resultierende Spannung zwischen der Basis
des Transistors T und dem mit X bezeichneten Knotenpunkt des Kondensators
C und den Widerständen R 1 und R 2 gleich Null. Die Teilspannung der Wicklung L2
ist dabei als Rückkopplung, die Teilspannung der Wicklung L4 als Gegenkopplung wirksam.
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Bewegt sich das Schwungrad 1 mit seinem ferromagnetischen Teil 3 in
Richtung auf die Ruhestellung des Schwingsystems und taucht dabei der Teil 3 allmählich
zwischen die Schenkel des Kerns 4 ein, so wird, wie beispielsweise das Diagramm
nach F i g. 2 zeigt, die Induktivität der Wicklungen L1 und L, erhöht. Durch diese
Induktivitätszunahme wird das Spannungsverhältnis zwischen den Wicklungen L1 und
L3 derart verändert, daß das Spannungsgleichgewicht zwischen den Wicklungen L2 und
L4 in dem Sinne gestört wird, daß sich die Rückkopplungswirkung erhöht und die Gegenkopplungswirkung
verringert. Mit dem weiteren Eintauchen des ferromagnetischen Teils 3 zwischen die
Schenkel des Kerns 4
wird die Rückkopplung dann immer mehr verstärkt und erreicht
allmählich ihr Maximum. Dies ist dann der Fall, wenn der ferromagnetische Teil 3
völlig zwischen die Schenkel des Kerns 4 eingetaucht ist und damit die Ruhelage
der Unruh erreicht wird.
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Mit Anwachsen der Rückkopplung hat die Leistungsverstärkung in dem
Rückkopplungskreis sehr schnell den Wert 1 erreicht, wobei dann ein Spannungsimpuls
ausgelöst wird. Die Höhe des Spannungsimpulses wird dabei im wesentlichen durch
die Betriebsspannung der Batterie B bestimmt. Während der kurzen Dauer dieses Impulses
lädt der Basisstrom des Transistors T den Kondensator C in Sperrrichtung auf, bis
die Differenz zwischen der in den Wicklungen L2 und L4 induzierten Rückkopplungsspannung
und der in dem Kondensator C aufgebauten Sperrspannung nicht mehr ausreicht, um
den Transistor T genügend in Flußrichtung zu halten.
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Damit läßt sich auch kein Basistrom mehr erzwingen, der seinerseits
einen genügend schnell ansteigenden Kollektorstrom zur Folge hat. Nur durch eine
ausreichende Anstiegsgeschwindigkeit des Kollektorstroms kann aber eine ausreichende
Rückkopplungsspannung induziert werden. Sobald daher die Anstiegsgeschwindigkeit
des Kollektorstroms
kleiner wird, verringert sich auch sehr schnell
die Differenz zwischen der induzierten Rückkopplungsspannung der Sperrspannung am
Kondensator C, wodurch der Stromimpuls im Kollektorkreis plötzlich unterbrochen
wird. Der Strom im Kollektorkreis entspricht im wesentlichen dem Stromwert, welcher
der Batterie entnommen wird. Beim Abreißen des Stromes im Kollektorkreis wird aber
nicht der Strom in den Wicklnugen L1 und L3 unterbrochen, denn das in den Wicklungskernen
4 und 5 aufgebaute magnetische Feld beginnt jetzt zusammenzubrechen und induziert
in den Wicklungen L1 und L3 einen Spannungsimpuls mit entgegengesetzter Polung.
Die Halbleiterdiode D, die, bezogen auf den Kollektorstromkreis, in Sperrichtung
gepolt ist, wird daher für die in den Wicklungen L1 und L3 induzierte Spannung leitend,
so daß sich der Stromkreis über die Diode D so lange schließt, bis mit abnehmender
Intensität die im Magnetfeld gespeicherte Energie verbraucht ist.
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Bei der beschriebenen Anordnung erfolgt die Energieübertragung auf
die Unruh nur durch die Tangentialkomponente des zwischen der Antriebswicklung L1
und dem ferromagnetischen Teil 3 der Unruh wirksamen Magnetfeldes, die in der Änderung
der Induktivität der Antriebswicklung L1 als Funktion der Winkelstellung zum Ausdruck
kommt. Bei Verkleinerung der Unruh-Amplitude nimmt die übertragene Energie ab, weil
die während der Impulsdauer eintretende Induktivitätsänderung infolge der Verringerung
der Winkelgeschwindigkeit der Unruh ebenfalls abgenommen hat.
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In F i g. 2 und 3 ist mit Hilfe von Diagrammen erläutert, wie sich
nach der Zusatzerfindung wesentlich günstigere Verhältnisse dadurch ergeben, daß
durch entsprechende Festlegung der mechanischen und elektrischen Ruhelage des Schwingsystems
die Impulsauslösung bei einer solchen Winkelstellung des schwingenden Systems erfolgt,
daß der Stromimpuls über den Zeitpunkt hinaus andauert, zudem die den Antriebsimpuls
für das schwingende System bestimmende Tangentialkomponente des durch den Steuerimpuls
erzeugten Magnetfeldes durch Null geht und ihre Richtung umkehrt.
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In diesen Figuren ist für zwei verschieden große Amplituden des gleichen
Schwingsystems jeweils über der Zeit t der Verlauf der Induktivität L1 aufgetragen.
Die Auslösung der erzeugten Antriebsimpulse erfolgt jeweils im Punkt A beim gleichen
Schwingungsausschlag 9p A. Für den in F i g. 2 dargestellten Fall mit größerer
Geschwindigkeit des Nulldurchgangs und damit größerer Amplitude wird der Winkel
cpA, bei welchem die Auslösung des Impulses erfolgt, im Zeitpunkt t1 erreicht. Dagegen
liegt bei dem in F i g. 3 dargestellten Fall mit kleiner Schwingungsamplitude, also
kleiner Geschwindigkeit des Nulldurchgangs, diese Stellung bereits bei einem früheren
Zeitpunkt t2.
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Im Fall der kleineren Amplitude, die beispielsweise durch eine größere
Lagerreibung bedingt sein kann, wird der Antriebsimpuls also bereits früher ausgelöst;
als es bei größerer Amplitude mit entsprechend kleinerer Reibung der Fall ist. In
den F i g. 2 a bzw. 3 a ist schematisch der wirkame Stromimpuls in Abhängigkeit
von der Zeit t dargestellt. Im Fall der größeren Amplitude (F i g. 2 a) überdauert
der Antriebsimpuls den Durchgang durch die Mittellage (cp=0) wesentlich mehr als
im Fall der kleineren Amplitude (F i g. 3 a). Der sich dadurch als Differenz der
links und rechts der Ordinatenachse schraffierten Flächen F1 und F2 ergebende resultierende
Antriebsimpuls ist daher im ersteren Fall kleiner als im zweitgenannten Fall. Bei
kleinerer Amplitude ergibt sich daher ein stärkerer resultierender Antriebsimpuls,
um die diese kleinere Amplitude bedingende größere Lagerreibung zu überwinden. Auf
diese Weise entsteht also eine amplitudenabhängige Selbstregelung des Wirkungsgrades,
durch welche die Amplitudenschwankungen in engen Grenzen gehalten werden können.
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Man kann also durch entsprechende Festlegung der mechanischen und
elektrischen Ruhelage des Schwingsystems erreichen, daß der Antriebsimpuls über
den Zeitpunkt des Durchgangs des Schwingsystems durch die Mittelstellung andauert,
wodurch sich jeder Antriebsimpuls aus einem die Unruh beschleunigenden und einem
bremsenden Anteil zusammensetzt. Die Zusammensetzung dieser Anteile hängt von der
jeweilig wirksamen Winkelgeschwindigkeit des Schwingsystems ab.