DE1209961B

DE1209961B - Schaltungsanordnung fuer den elektrisch angetriebenen Schwinger eines zeithaltenden Geraetes

Info

Publication number: DE1209961B
Application number: DEJ23215A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ganter; Dr Guenther Glaser
Original assignee: Gebr Junghans AG
Current assignee: Gebr Junghans AG
Priority date: 1963-02-20
Filing date: 1963-02-20
Publication date: 1966-01-27
Also published as: CH427662A; CH120964A4; US3293568A

Description

Schaltungsanordnung für den elektrisch angetriebenen Schwinger eines zeithaltenden Gerätes Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den elektrisch angetriebenen Schwinger eines zeithaltenden Gerätes, vorzugsweise einer Uhr, mit wenigstens einem Halbleiterverstärker, vorzugsweise Transistorverstärker, der durch eine durch die Relativbewegung zwischen einem Magnetsystem und einer Steuerspule erzeugte Spannung gesteuert wird und ausgangsseitig eine Triebspule durchfließende, auf den Schwinger antreibend wirkende Stromimpulse liefert, und mit elektrischen bzw. elektronischen Mitteln zur Regulierung der Schwingeramplitude.
Bei Halbleiterverstärker verwendenden Schaltungsanordnungen der obengenannten Art ist eine Stabilisierung der Schwingungsamplitude des zeithaltenden Schwingers von besonderer Wichtigkeit, da die von dem Halbleiterverstärker gelieferten Impulse von den Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, abhängig sind. Es ist bereits bekannt, für die Amplitudenstabilisierung eines ein Permanentmagnetsystem tragenden Schwingers eine Wirbelstrombremse zu verwenden, welche von dem Permanentmagnetsystem beeinflußt wird, sobald der Schwinger eine bestimmte Amplitude überschreitet. Der Schwinger wird in diesem Falle durch die Wirbelströme gebremst und so auf die gewünschte Schwingungsamplitude zurückgeführt. Diese Stabilisierungseinrichtung wirkt aber nicht ausreichend. Nachteilig ist hierbei auch, daß die dem Schwinger zugeführte überschüssige Antriebsenergie vollständig vernichtet wird. Das bedeutet eine zusätzliche Belastung der Antriebsstromquelle.
Es ist bereits bei einem Schwingarbeitsgerät mit elektromagnetischem Antrieb, das auf die Frequenz des speisenden Wechselstromes abgestimmt ist, bekannt, die Konstanthaltung der Schwingungsamplitude mit Hilfe einer in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen des Geräts erzeugten elektrischen Spannung zu bewirken, die einen im Speisestromkreis liegenden Magnetverstärker steuert. Abgesehen davon, daß es sich hier nicht um ein zeithaltendes Gerät mit einem frei schwingenden, selbstgesteuerten Schwinger, sondern um ein Vibrationsgerät handelt, das im Takte der Netzfrequenz zwangweise angetrieben wird, setzt die Verwendung eines Magnetverstärkers einen möglichst gleichförmigen Steuerstrom voraus, der bei einem zeithaltenden Gerät der eingangs genannten Art nicht zur Verfügung steht. Es ist zwar möglich, die in einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art auftretenden Stromimpulse mit Hilfe eines RC-Gliedes zu glätten, jedoch ergibt sich hiermit eine starke Temperaturabhängigkeit der Steuerspannung. Es ist weiterhin ein selbstgesteuerter mechanischer Schwinger bekannt, der unter Anwendung von Elektronenröhren in seiner Eigenfrequenz angetrieben wird, wobei Steuervorrichtungen vorgesehen sind, welche an einem RC-Glied eine von der Schwingungsamplitude abhängige, die Amplitude der Schwingung begrenzende Vorspannung erzeugen. Auch hier ergibt sich infolge der Verwendung eines RC-Gliedes eine starke Temperaturabhängigkeit jedenfalls dann, wenn für den Antrieb des Schwingers eine verhältnismäßig niedrige Frequenz mit großem Tastverhältnis verwendet wird, wie sie bei einem zeithaltenden Gerät der eingangs genannten Art auftritt.
Es ist weiterhin ein zeithaltendes elektrisches Gerät mit einer selbsterregten, in ihrer Eigenfrequenz durch elektromagnetische Antriebssysteme in Schwingung gehaltenen Stimmgabel als zeitbestimmendes Schwingglied unter Verwendung eines elektronischen Schwingkreises bekannt. Bei diesem Gerät wird eine Amplitudenstabilisierung durch eine bestimmte Bemessung der Triebspule erreicht, wodurch die in ihr erzeugte Gegen-EMK bei vergrößerter Amplitude einen solchen Wert erreicht, daß der Antriebsstrom vermindert wird. Eine solche Steuerung ist jedoch allein nicht genügend wirksam.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher bei einfachem Aufbau eine sehr wirksame Amplitudenstabilisierung in einem sehr großen Spannungsbereich bei geringem Leistungsverlust möglich ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspule ein durch die Amplitude des Schwingers steuerbarer Widerstand parallel geschaltet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch bei sehr langsamen Schwingungen mit beliebig großem Tastverhältnis anwendbar, ohne daß eine wesentliche Temperaturabhängigkeit der Antriebsimpulse auftritt. Die Anordnung ist im Aufbau einfach und erfordert nur eine vergleichsweise geringe Steuerleistung.
Der steuerbare Widerstand kann ein von einer Regelspule gesteuerter Transistor, vorzugsweise ein Siliziumtransistor, sein, wobei die Regelspule in ihren elektrischen Parametern von der Steuerspule wesentlich abweichend bemessen ist oder der Steuertransistor eine gegenüber dem Haupttransistor wesentlich abweichende Charakteristik hat. Als steuerbarer Widerstand kann auch eine zur Steuerspule parallelgeschaltete Diode verwendet werden, welche einen möglichst steilen Abfall des Durchlaßwiderstandes oberhalb einer Spannung aufweist, die größer ist als der Eingangsschwellwert des Transistors. Die Verwendung von Halbleiterelementen parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Haupttransistors bringt den weiteren Vorteil, daß die gesamte Anordnung eine Temperaturkompensation bewirkt, da der temperaturabhängige Widerstand des Halbleiterelements mit zunehmender Temperatur abnimmt, wodurch der Temperaturabhängigkeit des Haupttransistors entgegengewirkt wird.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 ein erstes Beispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, F i g. 2 die Ausbildung der in F i g. 1 verwendeten Spulenanordnung im Längsschnitt, F i g. 3 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, F i g. 4 a bis 4 g Darstellungen der die Triebspule durchfließenden Stromimpulse bei verschiedenen Amplituden des Schwingers, F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, F i g. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Regelwirkung.
In F i g. 1 ist mit Tr 1 der Haupttransistor bezeichnet, welcher den die Triebspule L 2 durchfließenden, von der Batterie B gelieferten Strom steuert. Der Transistor Tr 1 enthält im Eingangskreis die Steuerspule L 1, welcher zur Einstellung der Amplitude ein Vorwiderstand oder/und ein Parallelwiderstand zugeschaltet werden kann. Parallel zur Steuerspule L 1 liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des Regeltransistors Tr 2, welcher in seinem Eingangskreis die Regelspule L 3 enthält. Bei dieser Schaltung wird der Temperaturgang des Transistors Trl durch denjenigen des Transistors Tr2 kompensiert. Es kann sogar zu einer überkompensation kommen, weshalb als Regeltransistor ein Germanium-Transistor verwendet wird. Es soll der Temperaturgang von Tr2 wesentlich kleiner als der von Trl sein. Ein eventuell verbleibender Temperaturgang kann durch temperaturabhängige Widerstände kompensiert werden oder auch durch entsprechende Ausbildung der Spulen L 1 und L3. Reicht z. B. der Temperaturgang Tr 2 bei einem gegebenen Spulendurchmesser nicht aus, um den Temperaturgang von Trl zu kompensieren, so kann eine Verbesserung mit der Vergrößerung der Verhältnisse DL3 : DL1 und dLl : dL3 erzielt werden (F i g. 2). Dabei bedeuten D der Außendurchmesser und d der Innendurchmesser der betreffenden Spule. Die Kompensation wird also dadurch verbessert, daß der Regelimpuls breiter als der Steuerimpuls wird. Dies kann bis zur Überkompensation getrieben werden.
Grundsätzlich ist darauf zu achten, daß beide Transistoren gleiche Temperaturen haben, was bei normalem Betrieb immer der Fall sein dürfte (eine Eigenerwärmung findet praktisch nicht statt). Für den Fall, daß eine teilweise Erwärmung des Uhrgehäuses auftreten sollte, ist es vorteilhaft, beide Transistoren in ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit einzubetten. Mit R ist ein Widerstand angedeutet, der den negativen Pol der Batterie B mit der Basis des Regeltransistors Tr2 verbinden kann. Bei Verwendung dieses Widerstandes R kann auch die Regelspule L3 entfallen. In diesem Fall erfolgt die Steuerung des Regeltransistors Tr2 durch die Batteriespannung.
Die die Antriebsimpulse für den Schwinger liefernde Schaltungsstufe (L 1, L 2, R, Tr 1, B in F i g. 1) wird so ausgelegt, daß ein möglichst guter Selbstanlauf gewährleistet ist und daß eine so große Energie dem Schwinger zugeführt wird, daß dieser ohne vorhandene Regelung eine übergroße Amplitude annimmt. Der Regeltransistor Tr2 darf durch die in der Regelspule L3 erzeugte Spannung erst ausgesteuert werden, wenn die Normalamplitude nahezu erreicht ist. Dies kann durch entsprechende Ausbildung der Regelspule L 3 erreicht werden.
Die in Fig.1 gezeigte Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen: Bei kleinen Amplituden des nicht dargestellten Schwingers wird durch die in der Steuerspule L 1 erzeugte Steuerspannung der Haupttransistor Trl teilweise angesteuert. In F i g. 4 a ist beispielsweise ein in der Triebspule L 2 bei einer Schwingeramplitude von etwa 90° auftretender Stromimpuls gezeigt. Bei einer Schwingeramplitude von etwa 180° (F i g. 4 b) wird der Haupttransistor Tr 1 bereits voll ausgesteuert. Bei einer Schwingeramplitude von etwa 240° (F i g. 4 c) ist bereits die durch den Schwinger in der Triebspule induzierte Gegen-EMK deutlich sichtbar.
Von einer Amplitude von etwa 250° (F i g. 4 d) an wird der Regeltransistor Tr2 mehr und mehr ausgesteuert. Es wird dadurch die Steuerspule L1 mehr und mehr kurzgeschlossen, so daß ein Teil des in ihr erzeugten Steuerstromes über den Regeltransistor Tr2 fließt. Die Darstellung in F i g. 4 e zeigt den auftretenden Impulsstrom bei einer Amplitude von etwa 260°. Bei einer Schwingungsamplitude von 290° (F i g. 4 f) wird die Normalamplitude des Schwingers erreicht. Bei Vergrößerung der Schwingungsamplitude auf 320° (F i g. 4g) werden die Stromimpulse kleiner, so daß nicht mehr genügend Energie dem Schwinger zugeführt wird, um diese Amplitude aufrechtzuerhalten. Die Amplitude geht deshalb wieder auf ihren Normalwert von 290° zurück.
Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Eingangskreis des Haupttransistors Trl in Reihe mit der Steuerspule L 1 der Kondensator C1 vorgesehen, und es sind Kollektor und Basis des Transistors Trl durch den hochohmigen Widerstand R 1 miteinander verbunden. Dieser Widerstand R 1 bewirkt bei stillstehendem Schwinger eine Ladung des Kondensators C1, derart, daß der Transistor eine Basis-Vorspannung erhält, die etwa dem Eingangsschwellwert des Transistors entspricht. Der Transistor wird deshalb bereits sehr schnell ausgesteuert, und es wird der Schwinger bereits bei sehr geringen Amplituden angetrieben. Im Betrieb wird durch die in der Steuerspule L 1 induzierte Spannung der Kondensator C1 umgeladen, so daß nunmehr die Basis des Transistors Trl eine unterhalb des Schwellwertes liegende Spannung erhält, so daß nur die Spitzen der in der Steuerspule L 1 erzeugten Steuerspannung eine Aussteuerung des Transistors Tr 1 bewirken. Es ergeben sich dadurch kurze und steilflankige Antriebsimpulse, die im wesentlichen nur beim Durchgang des Schwingers durch seine Ruhelage auftreten. CN ist ein Neutralisationskondensator.
In F i g. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei welcher als steuerbarer Widerstand eine Diode D vorgesehen ist. Diese Diode D weist einen steilen Abfall ihres Durchlaßwiderstandes oberhalb einer Spannung auf, die größer ist als der Eingangsschwellwert des Transistors Tr 1. Erreicht bei einer bestimmten Schwingeramplitude die in der Steuerspule L 1 induzierte Spannung den Schwellwert der Diode D, so beginnt ein Teil des in der Steuerspule L, induzierten Steuerstromes über die Diode D zu fließen, und es wird ein weiterer Anstieg der Steuerspannung weitgehend vermieden und damit eine Vergrößerung der Antriebsenergie verhindert.
F i g. 6 veranschaulicht die Regelwirkung. Dl und D., stellen die von der Unruh benötigte Leistung und den Wirkungsgrad bei verschiedener Dämpfung in Abhängigkeit von cxo dar. Die anderen Kurven zeigen die zugeführte Leistung in Abhängigkeit von xo, bei verschiedener Spannung, und zwar stabilisiert gemäß der Erfindung und ohne Stabilisierungs-Maßnahme. Die Schnittpunkte dieser Kurven mit D, und D., ergeben die jeweils sich einstellende Amplitude. Aus dem Bild geht einwandfrei hervor, daß sich die Anordnung hauptsächlich zur Spannungsstabilisation eignet; sie kann aber auch »Lastschwankungen« in bestimmten Grenzen ausgleichen.

Claims

Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung für den elektrisch angetriebenen Schwinger eines zeithaltenden Geräts, vorzugsweise einer Uhr, mit wenigstens einem Halbleiterverstärker, vorzugsweise Transistorverstärker, der durch eine durch die Relativbewegung zwischen einem Magnetsystem und einer Steuerspule erzeugte Spannung gesteuert wird und ausgangsseitig die Triebspule durchfließende, auf den Schwinger antreibend wirkende Stromimpulse liefert, und mit elektrischen, bzw. elektronischen Mitteln zur Regulierung der Schwingeramplitude, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspule (L,) ein durch die Amplitude des Schwingers steuerbarer Widerstand (Tr"D) parallel geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand ein von einer Regelspule (L3) gesteuerter Transistor (TYZ), vorzugsweise ein Siliziumtransistor, ist, wobei die Regelspule (L3) in ihren elektrischen Parametern von der Steuerspule (L,) wesentlich abweichend bemessen oder der Steuertransistor (Tr2) eine gegenüber dem Haupttransistor (Tr,) wesentlich abweichende Charakteristik hat.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand aus einer zur Steuerspule (L) parallelgeschalteten Diode (D) besteht, welche einen möglichst steilen Abfall des Durchlaßwiderstandes oberhalb einer Spannung aufweist, die größer ist als der Eingangsschwellwert des Transistors (Tr,). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr.1097189,1055 454, 1124 433, 1128 018; schweizerische Patentschrift Nr. 13 932; schweizerische Auslegeschrift Nr. 14 457 aus dem Jahre 1960.