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Die Erfindung betrifft eine elektrische Uhr mit einer galvanischen
Stromquelle, einem elektrischen Normalfrequenzgeber, der ein Resonanzelement als
Frequenzstabilisator aufweist, einem mehrstufigen elektronischen Frequenzuntersetzer,
einem elektromechanischen Wandler und einer mechanischen Zeitanzeigevorrichtung.
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Derartige elektrische Uhren können bekanntlich mit einer sehr hohen
Ganggenauigkeit gebaut werden, sofern die Eigenfrequenz des Resonanzelementes weit
über dem beim üblichen Gebrauch der Uhr durch Erschütterungen erzeugten Frequenzspektrum
liegt und wenn das Resonanzelement einen hohen Gütefaktor aufweist. Versucht man
nach dem gleichen Konstruktionsprinzip kleine tragbare Uhren, insbesondere Taschen-
oder Armbanduhren, zu bauen, so stellen sich erhebliche Schwierigkeiten in den Weg.
Diese Schwierigkeiten haben ihre Ursache teils in den eine untere Grenze aufweisenden
geometrischen Abmessungen der erforderlichen elektrischen und mechanischen Bauteile
und teils im elektrischen Energieverbrauch, dessen direkte Folge das Volumen der
galvanischen Stromquelle ist.
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Bei bekannten elektrischen Taschen- und Armbanduhren ist zur Verminderung
der erwähnten Schwierigkeiten die Eigenfrequenz des Resonanzelementes so niedrig
gewählt, daß auf einen elektronischen Frequenzuntersetzer verzichtet und der elektromechanische
Wandler unmittelbar an den Ausgang des Normalfrequenzgebers angeschlossen werden
kann. Dadurch ergibt sich zwar eine Einsparung an Bauelementen und eine Reduktion
des Energieverbrauches, aber diese Vorteile werden durch einen anderen Nachteil
erkauft, der im wesentlichen darin besteht, daß das Resonanzelement entsprechend
der tieferen Eigenfrequenz größere Abmessungen aufweist, daß die Resonanzschwingung
weniger unabhängig von im Gebrauch der Uhr auftretenden Erschütterungen ist und
daß unter Umständen das Gravitationsfeld der Erde einen größeren Einfluß auf die
Schwingungsfrequenz ausübt, sofern das Resonanzelement, wie z. B. eine Stimmgabel,
nicht gravitationsinvariant ist und beim Tragen der Uhr nicht immer eine bezüglich
des Gravitationsfeldes neutrale Lage im Raum einnehmen kann, was beispielsweise
bei einer Armbanduhr völlig ausgeschlossen ist. Hinzu kommt, daß Resonanzelemente
mit tieferer Schwingungsfrequenz in der Regel einen verminderten Gütefaktor aufweisen.
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Man ist folglich daran interessiert, ein Resonanzelement mit möglichst
hoher Eigenfrequenz benutzen zu können, was jedoch ohne die Verwendung eines mehrstufigen
Frequenzuntersetzers praktisch nicht möglich ist, weil die Frequenz für die Anregung
des elektromechanischen Wandlers einen noch im menschlichen Hörbereich liegenden,
also nicht sehr hohen oberen Grenzwert hat. Wird in der elektrischen Uhr aber ein
mehrstufiger elektronischer Frequenzuntersetzer verwendet, so steigt der elektrische
Energieverbrauch der Uhr um ein Mehrfaches an. Dann stellt sich das Problem der
Wahl und der Unterbringung der elektrischen Stromquelle.
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Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß beim heutigen Stand der
technischen Entwicklung immer noch das galvanische Primärelement, z. B. in Form
einer Quecksilberzelle, am besten für die Speisung einer elektrischen Kleinuhr geeignet
ist, weil das Primärelement vergleichsweise am meisten Euergie in einem gegebenen
Volumen zu speichern vermag. Da bekannte Armbanduhren, die keinen Frequenzuntersetzer
und dafür ein Resonanzelement mit entsprechend tiefer Eigenfrequenz aufweisen, mit
einer kleinen handelsüblichen Primärzelle von 11,6 mm Durchmesser, 3,4 mm Dicke
und einer Kapazität von 75 mAh eine ununterbrochene Betriebsdauer von etwa 1 Jahr
erreichen, sollte auch für eine mit Frequenzuntersetzer ausgerüstete Uhr die gleiche
Betriebszeit mit einer ebenso kleinen Stromquelle eingehalten werden können. Beim
Versuch der Verwirklichung dieses Wunsches hat sich aber eindeutig erwiesen, daß
alle in den bisher bekannten elektronischen Frequenzuntersetzern verwendeten aktiven
Glieder einen zu hohen Stromverbrauch aufweisen und demzufolge entweder eine viel
größere Primärzelle verlangen oder aber eine nur kurze Betriebsdauer ermöglichen.
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Diese Feststellung gilt auch für den Fall, daß als aktive Glieder
in den Frequenzuntersetzerstufen in bekannter Weise Tunneldioden verwendet werden,
deren Strom-Spannungs-Kennlinie im »Sperrgebiet« einen S-förmigen Verlauf und daher
einen Bereich mit negativem Widerstand aufweist. Dieser Bereich erlaubt den Betrieb
der Tunneldiode als aktives Glied in einer elektrischen Schaltung, wobei der Stromverbrauch
verhältnismäßig klein ist und bei geeigneter Bauweise der Tunneldiode bis auf etwa
300 uA herabgesetzt werden kann. Aber auch dieser geringe Stromverbrauch ist für
die hier vorgesehenen Zwecke noch entschieden zu hoch.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für die einzelnen Stufen
des elektronischen Frequenzuntersetzers einer Uhr, insbesondere Taschen- oder Armbanduhr
der eingangs genannten Art, ein aktives Glied zu finden, das einen beträchtlich
kleineren Stromverbrauch als die zum gleichen Zweck bisher benutzten Tunneldioden
aufweist, und damit die Schaffung einer elektrischen Uhr zu ermöglichen, die mit
einem bislang unerreicht niedrigen Bedarf an elektrischer Leistung auskommt.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der elektronische
Frequenzuntersetzer Backward-Dioden als aktive Glieder aufweist. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung kann der Normalfrequenzgeber der Uhr zum Unterhalt der Schwingung
des Resonanzelementes einen ebenfalls mit einer Backward-Diode bestückten Relaxationsoszillator
aufweisen.
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Backward-Dioden sind seit einiger Zeit bekannt und mit den Tunneldioden
nahe verwandt. Normalerweise werden die Backward-Dioden im Vergleich zu den Tunneldioden
umgekehrt betrieben, wobei ihr auffallend steiler Stromanstieg im Durchlaßgebiet
ausgenutzt wird. Es ist zwar bekannt, daß die Backward-Dioden in ihrem Sperrgebiet
eine geringe Stromdurchlässigkeit zeigen, die bei den üblichen Anwendungen dieser
Dioden öfters als störend empfunden wird. Bei genauer Betrachtung erkennt man, daß
die Backward-Dioden in ihrem Sperrgebiet ebenfalls eine S-förmig verlaufende Strom-Spannungs-Kennlinie
haben, ähnlich jener der Tunneldioden, aber mit viel flacherem Verlauf und viel
niedrigeren Stromwerten, die unterhalb 300 gA liegen und je nach der Bauart der
Diode gegebenenfalls nur wenige gA betragen. Dieser flache Verlauf des S-förmigen
Kennlinienteiles führt dazu, daß der mit einer Backward-Diode erzielbare negative
Widerstand verhältnismäßig
hoch wird und zwischen 1 und 50 kOhm
beträgt. Die Fachwelt war daher bislang der Meinung, daß eine Backward-Diode wegen
des hohen Wertes ihres negativen Widerstandes nicht mehr als aktiver Zweipol entdämpfend
wirken kann. Mit diesem auf dem einschlägigen Gebiet der Technik herrschenden Vorurteil
hat nun die Erfindung gebrochen.
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Tatsächlich gelingt es, Backward-Dioden als aktive Glieder in einem
mehrstufigen elektronischen Frequenzuntersetzer und in einem Oszillator zu verwenden
und dabei den Stromverbrauch um mehr als 100mal zu verkleinern, verglichen mit der
gleichen Schaltung mit Tunneldioden als aktiven Gliedern. Dadurch ist es nun möglich
geworden, eine Uhr mit einem verhältnismäßig hochfrequenten Normalfrequenzgeber
und einem mehrstufigen elektronischen Frequenzuntersetzer an einer kleinen elektrischen
Primärzelle der weiter oben angegebenen Größe und mit einer Kapazität von nur 75
mAh während mehr als 1 Jahr ununterbrochen zu betreiben. Eine solche Uhr kann auf
die Größe einer Taschen- oder Armbanduhr verkleinert werden, die die zugehörige
Primärzelle als Stromquelle enthält.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist nachstehend
an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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F i g. 1 stellt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Uhr
schematisch dar; F i g. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Backward-Diode,
die als aktives Glied in jeder Stufe des Frequenzuntersetzers und im Oszillator
verwendet ist; F i g. 3 ist das elektrische Schaltschema einer einzelnen Stufe des
elektronischen Frequenzuntersetzers; F i g. 4 zeigt einen im Sperrgebiet der Backward-Diode
liegenden Teil der Kennlinie nach F i g. 2 in größerem Maßstab, zusammen mit einer
Widerstands-Kennlinie; F i g. 5 veranschaulicht die Ausgangsspannung der Frequenzuntersetzerstufe
in Funktion der Zeit. Gemäß F i g. 1 weist eine elektrische Uhr, z. B.
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Taschen- oder Armbanduhr, einen elektrischen Normalfrequenzgeber auf,
der aus einem Oszillator 10 und einem Resonanzelement 11 als Frequenzstabilisator
besteht. Das Resonanzelement kann z. B. ein elektrisch angetriebener Torsionsschwinger
oder Biegungsschwinger sein. Es ist aber ebensogut möglich, einen elektrostriktiven,
piezoelektrischen oder magnetostriktiven Schwinger als Resonanzelement zu benutzen,
wie das an sich bekannt ist. Mit Vorteil ist das Resonanzelement 11 in einem vakuumdichten
Gehäuse untergebracht, damit es vor den Einflüssen der umgebenden Atmosphäre weitgehend
geschützt ist.
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Der zum Unterhalt der Schwingung des Resonanzelementes 11 dienende
Oszillator 10 ist vorzugsweise ein mit Backward-Dioden bestückter Relaxationsoszillator,
der aus einer elektrischen Energiequelle 12, z. B. einer kleinen Batterie,
gespeist wird. Die Frequenz fo der vom Normalfrequenzgeber 10, 11
erzeugten
und abgegebenen elektrischen Schwingung liegt beispielsweise zwischen 2 und
100 kHz.
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Der Ausgang des Normalfrequenzgebers ist mit einem mehrstufigen elektronischen
Frequenzuntersetzer 13 verbunden, der die Frequenz fo in eine solche von beispielsweise
50 bis 500 Hz umwandelt.
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Dem Frequenzuntersetzer 13 ist ein elektromechanischer Wandler 14
nachgeschaltet, der die elektrische Schwingungsenergie in eine mechanische Energie
zum Antrieb einer mechanischen Zeitanzeigevorrichtung 15 umwandelt. Der Wandler
14 kann z. B. aus einem kleinen Synchronmotor oder aus -inem durch elektrische Impulse
betätigbaren Schrittschaltwerk bestehen, wie es an sich bekannt ist.
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Die Schaltung einer Stufe des Frequenzuntersetzers 13 ist in F i g.
3 dargestellt. Von den beiden Eingangsklemmen 16 und 17, die mit dem Oszillator
10 verbunden sind, gelangt die Wechselspannung U1 mit der Normalfrequenz f. an eine
Eingangsschaltung, die aus einem Kondensator Cl und zwei Dioden Dl und D2 besteht.
An diese Eingangsschaltung ist ein synchronisierbarer Relaxationsoszillator, bestehend
aus einer Backward-Diode D, einer Induktionsspule mit der Induktivität L und dem
ohmschen Verlustwiderstand R sowie einer Gleichstromquelle B mit der Klemmenspannung
EB, angeschlossen. Die Backward-Diode D ist entgegen ihrer üblichen Verwendungsweise
gepolt, so daß sie in ihrem Sperrgebiet arbeitet, das in der Strom-Spannungs-Kennlinie
nach F i g. 2 links der Ordinatenachse dargestellt ist. Dort hat die Kennlinie einen
flachen S-förmigen Verlauf mit einem Bereich negativen Widerstandes jenseits eines
Punktes mit dem Strommaximum 1" (Peakstrom) in der Größenordnung von 1 bis 5 EtA.
Die über der Backward-Diode auftretende Wechselspannung U., mit der Frequenz f ist
unter Zwischenschaltung eines Trennkondensators C.= an die Ausgangsklemmen 18 und
19 geführt.
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Die Funktionsweise der Frequenzuntersetzerstufe gemäß F i g. 3 ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die in F i g. 4 dargestellten Kennlinien beschrieben:
Da die Backward-Diode D in bezug auf ihre übliche Gebrauchsweise mit entgegengesetzer
Polung betrieben wird, ist ihre das Sperrgebiet betreffende Kennlinie KD in F i
g. 4 im ersten Quadranten dargestellt, zusammen mit der geradlinigen Kennlinie KR
des Verlustwiderstandes R. Die Spannung EB der Gleichstromquelle B und der Verlustwiderstand
R der Induktionsspule sind derart gewählt, daß die beiden Kennlinien KR und KD sich
in einem Punkt P innerhalb des negativen Widerstandsbereiches der flach S-förmig
verlaufenden Backward-Dioden-Kennlinie Kn schneiden.
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Beim Anschließen der Stromquelle B steigt der durch die Induktionsspule
und die Backward-Diode D fließende Strom 1 vom Nullpunkt 0 ausgehend über den Punkt
1 zum Punkt 2 der Kennlinie Kn annähernd entsprechend einer Exponentialkurve an.
Im Punkt 2 beginnt der negative Kennlinienbereich, und der Strom sollte beim weiteren
Anstieg der Spannung abnehmen, was jedoch durch die Induktivität L verhindert wird.
Die Änderung des Stromes durch die Induktionsspule erzeugt nämlich über der Induktivität
L eine Induktionsspannung, die sich zur Klemmenspannung EB der Gleichstromquelle
B addiert, so daß die Backward-Diode D sehr rasch den Zustand gemäß Punkt
3 ihrer Kennlinie Kn annimmt. Weil jetzt der Spannungsabfall über der Backward-Diode
D größer ist als die Gleichspannung EB, beginnt der Strom gemäß dem Kennlinienteil
zwischen den Punkten 3 und 4 annähernd exponentiell abzunehmen. Wenn der Punkt 4
der Kennlinie KB erreicht ist, beginnt der Strom wieder anzusteigen, wodurch das
Vorzeichen der induzierten Spannung umkehrt und bewirkt wird, daß die Backward-Diode
D rasch in den Zustand gemäß Punkt 1 ihrer Kennlinie zurückkehrt. Damit ist eine
Periode vollendet, der sich
sofort eine neue anschließt, die mit
der beschriebenen übereinstimmt, bis auf die Ausnahme, daß sie nicht im Nullpunkt
0, sondern im Punkt 1 der Kennlinie KD beginnt. Alle nachfolgenden Perioden
sind mit der zweiten identisch. Der zeitliche Verlauf der Spannung U2 über der Backward-Diode
D ist in F i g. 5 graphisch dargestellt. Die Frequenz f der Perioden des
Relaxationsoszillators ist von der Zeitkonstanten
abhängig.
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Die beschriebene Schwingung des Relaxationsoszillators wird nun durch
die Normalfrequenz fo synchronisiert, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz
des Relaxationsoszillators ist, so daß eine Frequenzuntersetzung stattfindet. Wenn
nämlich an den Eingangsklemmen 16 und 17 die Wechselspannung U1 angelegt ist, so
beeinflußt diese den übergang vom Zustand gemäß Punkt 2 in den Zustand gemäß Punkt
3 der Kennlinie KD. Einen anderen Einfluß hat die Spannung U1 nicht. über die Diodenkombination
Dl, D., wird die steuernde Spannung U1 mit positiver Polarität der Backward-Diode
D zugeführt. Die Frequenz f. der Spannung U1 kann bis etwa 15mal höher sein als
die Frequenz f des Relaxationsoszillators. Nur jene Spannungsspitzen, die zeitlich
unmittelbar in die Nähe der Punkte 2 in F i g. 5 zu liegen kommen, bewirken jeweils
den Wechsel des Backward-Dioden-Zustandes vom Punkt 2 der Kennlinie KD in den Punkt
3. Durch geeignete Wahl der Zeitkonstanten
läßt sich erreichen, daß dies stets für die x-te Spannungsspitze zutrifft, wobei
x eine beliebige ganze Zahl von 1 bis etwa 15 sein kann. Die an den Ausgangsklemmen
18 und 19 auftretende Wechselspannung U., weist demzufolge eine Frequenz f auf,
die genau den x-ten Teil der Normalfrequenz f. beträgt. Folglich arbeitet der beschriebene
und synchronisierte Relaxationsoszillator als Frequenzuntersetzerstufe.
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Zweckmäßig sind zwei oder mehr Frequenzuntersetzerstufen der beschriebenen
oder ähnlichen Art hintereinandergeschaltet, so daß z. B. mit zwei Untersetzerstufen
und einer Normalfrequenz f. = 11250 Hz eine Speisefrequenz f = 50 Hz für den elektromechanischen
Wandler 14 resultiert, wenn das Frequenzteilungsverhältnis jeder Untersetzerstufe
15: 1 beträgt.
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Der Oszillator 10 ist mit Vorteil ebenfalls als Relaxationsoszillator
mit einer Backward-Diode als aktivem Glied ausgebildet. wobei die Schaltung prinzipiell
die gleiche wie jene. einer Stufe des Frequenzuntersetzers 13 sein kann. Die Frequenz
f. der erzeugten Schwingung wird dabei mittels des durch das Resonanzelement
11 gelieferten Signals im Verhältnis 1: 1 synchronisiert und dadurch stabilisiert.
Das Resonanzelement 11 seinerseits wird in bekannter Weise mittels der Ausgangsspannung
des Oszillators 10 zum Schwingen angeregt.
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Da das Resonanzelement 11 des Oszillators 10 bei der erwähnten hohen
Normalfrequenz fo verhältnismäßig kleine Abmessungen aufweist und nicht durch seine
Schwingungen unmittelbar zum mechanischen Antrieb der Anzeigevorrichtung dienen
muß, kann das Resonanzelement ohne Schwierigkeiten in ein vakuumdichtes Gehäuse
eingebaut werden, wie bereits weiter oben gesagt wurde. Dadurch läßt sich die Dämpfung
des Resonanzelementes verringern und gleichzeitig eine Abhängigkeit der Eigenfrequenz
von Luftdruckschwankungen ausschalten.
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Weil der Peakstrom l,, der als aktive Glieder in den Frequenzuntersetzerstufen
und im Oszillator verwendeten Backward-Dioden für jede dieser Dioden weniger als
5 tiA beträgt, ist der gesamte Stromverbrauch der beschriebenen, erfindungsgemäßen
Uhr derart gering, daß als Stromquelle B eine kleine Primärzelle mit etwa 11,5 mm
Durchmesser, 3,4 mm Dicke und 75 mAh Kapazität ausreicht, um die Uhr während mehr
als 1 Jahr ohne Unterbrechung zu betreiben. Eine derart kleine Stromquelle findet
auch dann innerhalb des Uhrgehäuses Platz, wenn es sich um eine Armbanduhr handelt.