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Über eine elektronische Halbleiter-Verstärkerschaltung kontaktlos
angetriebener Gangordner eines zeithaltenden elektrischen Geräts. Die Erfindung
betrifft einen über eine elektronische Halbleiter-Verstärkerschaltung kontaktlos
angetriebenen Gangordner eines zeithaltenden elektrischen Gerätes, vorzugsweise
einer elektrischen Uhr, mit einer bei der Schwingung des Gangordners induktiv erregten
Steuerspule im Eingangskreis der Verstärkerschaltung, bei welcher der elektronischen
Verstärkerschaltung mindestens ein temperaturabhängiger Widerstand zum Ausgleich
der Temperaturfehler
des Ganges, z.B. infolge der Temperaturabhängigkeit
des Halbleiter-Verstärkers, zugeordnet ist.
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Es ist bekannt, zum kontaktlosen Antrieb eines Gangordners einer Uhr
eine Halbleiter-Verstärkerschaltung zu verwenden, deren Temperaturabhängigkeit durch
Verwendung wenigstens eines temperaturabhängigen Widerstandes ausgeglichen wird.
Bei der bekannten Schaltung wird dem Eingang des Halbleiter-Verstärkers eine Vorspannung
zugeführt, welche von einem temperaturabhängigen Spannungsteiler abgegriffen wird.
Mit Veränderung der Temperatur ändert sich die Vorspannung am Halbleiter-Verstärker,
wodurch dessen Verstärkung beeinflusst wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen über eine elektronische
Halbleiter-Verstärkerschaltung kontaktlos angetriebenen Gangordner eines zeithaltenden
elektrischen Gerätes zu schaffen, bei welcher eine einfache und wirksame Temperaturkompensation
erreicht wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer
an sich bekannten Uhr mit einer ohne Vorspannungsglieder arbeitenden Verstärkerschaltung
des temperaturabhängige Widerstand unmittelbar parallel zu den Ausgangsklemmen der
Steuerspule geschaltet ist. Vorzugsweise wird als temperaabhängiger
Widerstand
ein Gleichrichterelement mit temperaturabhängigen Halbleiter-Eigenschaften verwendet.
Durch die erfindungsgemäße.Schaltung wird parallel zur Steuerspule ein Nebenschluss
geschaffen, welcher einen mit der Temperatur sich ändernden Teil des Steuerstromes
fährt. Dieser Stromanteil gelangt nicht zur Einwirkung auf den Halbleiter-Verstärker.
Es wird somit ein Teil der vom Gangregler erzeugten Steuerleistung in dem Widerstand
vernichtet. Der Gangregler erfährt somit mit sich ähdernder Temperatur eine veränderliche
Dämpfung, und es wird gleichzeitig die am Eingang des Halbleiter-Verstärkers zur
Verfügung stehende Steuergröße geändert und damit auch die auf die Triebspule einwirkende
Ausgangsleistung.Die erfindungsgemäße Anordnung hat deshalb einen besonders günstigen
Einfluss auf die Stabilisierung des Gangordners.
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Es ist bekannt, dass die.Stromstärke in einem Transistor von der Temperatur
abhängt. Dies ist in Fig. la dargestellt, bei der der Kollektorstrom ic eines in
Emitter-Schaltung betriebenen Transistors in Abhängigkeit von der Spannung Ub zwischen
Basis und Emitter für OOC und 400C dargestellt ist. Dabei. durchfließt der Kollektorstrom
ic einen Widerstand Ra. Legt man einen dem Gangregler induktiv, kapazitiv oder galvanisch
entnommenen Spannungpimpuls zwischen Basis und Emitter, der den in Fig. 1b gezeichneten
zeitlichen Verlauf haben möge, so ergibt sich der durch
den Spannungsimpuls
erzeugte zeitliche Verlauf des
Kollektorstromes gemäß Fig. 10. Durch diesen
Strom wird ein mechanischer Impuls auf den Gangregler erzeugt, der, wie aus Fig.
10 ersichtlich ist, von der Temperatur abhängt. Diese Temperaturabhängigkeit wirkt
sich sowohl auf die Größe des mechanischen Impulses als auch auf seine Phase aus.
Die Kurve 2a zeigt den von der Stromeinheit in der Zeiteinheit erzeugten mechanischen
Impuls dJ/dt in Abhängigkeit von der Zeit. Fig. 2b zeigt, schematisch vereinfacht,
den zeitlichen Stromverlauf bei tiefer und hoher Temperatur. Die Stromimpulse bewirken
den durch die entsprechende Schraffierung gekennzeichneten mechanischen Impuls J
= dJ/dt # dt. Die Schwerpunkte dieses Impulses bei der Temperatur 1 (0'C) und 2
(400C) fallen nicht zusammen und liegen, je nach dem wo der Impuls zeitlich ausgelöst
wird, auf verschiedenen Seiten.
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Nun beeinflußt die Impulsphase direkt den Gang einer Uhr. Die
prozentuale Änderung a,T/T der Schwingungsdauer des Gangreglers beträgt:
Hierbei ist A die Energiezufuhr des mechanischen Impulses,OC 1 die Amplitude, bei
der der Impuls erfolgt, und 0C0 die maximale Amplitude des Gangreglers. Bekanntlich
ist
CpC= (X0 # ein w t. D ist das Direktionsmoment der rücktreibenden Kraft des
Gangreglers.
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Es ist bekannt, daß der Gang einer Uhr von der Amplitude des Gangreglers
abhängt. Letztere ist aber, im Energiegleichgewicht von der Energiezufuhr A und
damit von der Größe des Impulses abhängig, sowie von der Dämpfung des Gangreglers.
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Eine Temperaturveränderung bringt also durch Änderung des Transistorstromes
eine Amplitudenveränderung und dadurch eine Gangänderung. Liegt ferner der Impulsschwerpunkt
2 bei höherer Temperatur zeitlich vor dem Impulsschwerpunkt 1 bei niederer Temperatur,
so geht die Uhr bei 2 gegenüber 1 vor. Die Wirkungen der Impulsvergrößerung und
der Phasenverschiebung können so gerichtet sein, daß sie sich verstärken, vermindern
oder aufheben.
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Diese prinzipiellen Erkenntnisse erlauben folgende Möglichkeiten der
Kompensierung der durch den Transistor und die Uhr selbst sich ergebende Änderung
des Ganges mit der Temperatur.
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1.) Mechanische Kompensierung.
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Bei gegebenem Steuer- und Arbeitsimpuls ergibt sich eine bestimmte
Temperaturabhängigkeit des Ganges. Es ist bekannt, diese bei Pendeluhren durch eine
Pendelstange unter Verwendung von zwei Stoffen mit verschiedenem
Ausdehnungskoeffizienten
mittels Bimetallen zu kompensieren. Im vorliegenden Falle ist die dadurch erreichbare
Temperaturkompensierung meist nicht ausreichend und außerdem schwer veränderbar.
Eine wirksamere Gangänderung läßt sich bei magnetisch gesteuerten Gangreglern durch
die Annäherung eines ferromagnetischen Teiles oder eines Magneten erreichen. Diese
Annäherung kann nun in wirksamer Weise durch einen Bimetallstreifen erfolgen. Fig.
3 gibt ein schematisches Beispiel für eine Pendeluhr. Dabei bedeutet BM den Bimetallstreifen
mit großer thermischer Verbiegung, der einen Magneten M trägt. Seine Einspannung
E kann sowohl in seitlicher Richtung 1 als auch in der Höhe h verändert werden und
damit sowohl die Gangänderung je Grad Celsius als auch der absolute Gang eingestellt
werden. Durch Einstellschrauben bei a und b kann eine Begrenzung erfolgen. Sinngemäß
kann anstelle des Bimetallstreifens auch eine andere durch die Temperatur bedingte
Verschiebung des ferromagnetischen Teiles bzw. Magneten M verwendet werden.
2.) Dämpfungswiderstand.
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Durch eine Dämpfung kann der Gang beeinflußt werden. Es ist wesentlich
günstiger, die Dämpfung durch einen zur Steuerspule S parallelgeschalteten Widerstand
Rp in Verbindung mit einem Vorwiderstand R, durchzuführen, als
durch
einen nutzlos Arbeitsenergie verzehrenden Widerstand parallel zur Arbeitsspule .k
oder durch einen temperaturabhängigen, ebenfalls Energie verzehrenden
Widerstand Re vor dem Emitter. Hei vorgegebener Spulenanordnung von Steuerspule
und Arbeitsspule gibt es opti-male Werte von Rp und R., die in einer für
die Dämpfung erträglichen Weise eine Temperaturkompensierung ermöglichen.
Fig. 4 gibt hierfür ein Meflbeispiel, in dem der Gang in sec/Tag in Abhängigkeit
vom Parallelwiderstand Rp aufgetragen ist. Beim Wert Rpl ist der Gang für alle Temperaturen
nahezu gleich. Um einen konstanten Gang (g2) zu erreichen, bei einem unter Umständen
günstigen Parallelwiderstand, kann man zu dem Parallelwiderstand R p2 einen temperaturabhängigen
Widerstand RT schalten, der in der gemäß Fig. 4 eingezeichneten Weise den
Gang kompensiert.
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Es sind auch Kombinationen zwiachen Serien- und Parallelschaltung
von temperaturabhängigen Widerständen und temperaturunabhängigen Widerständen möglich.
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3.) Temperaturabhängige Veränderung der Kuryenform der Steuerspannung.
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Anstelle einen zur Steuerspule parallelgeschalteten Widerstands
kann man eine Diode mit Halbleitereigenschaften, gegebenenfalls in Verbindung mit
einem Widerstand verwenden. Die Diode sperrt beim Rücklauf des Gangreglers
und verursacht dann keinerlei Dämpfung, so daB
der Transistor beim
Rückschwingen des Gangreglers durch eine hohe Spannung auch bei hoher Temperatur
sicher gesperrt wird. In der Phase des Arbeitsimpulses jedoch leitet die Diode,
und zwar umso besser, je höher die Temperatur ist. Der auf den Transistor einwirkende
Spannungsimpuls Ub wird daher gemäß Fig. 5a umso kleiner, je höher die Temperatur
ist. Von einer bestimmten, strichpunktiert gezeichneten Spannung an hat der Kollektorstrom
infolge der strombegrenzenden Wirkung des Außenwiderstandes Ra sein Maximum erreicht.
Der Strom wird dann bei einem Pendel mit induktiv wirkender Arbeitsspule infolge
der Gegeninduktivität der Arbeitsspule noch in der punktierten Weise verringert
(Abb.5b). Bei höherer Temperatur wirkt die niedrigere Steuerspannung so, gemäß der
eingezeichneten Kurve, daß der gesamte Arbeitsimpuls nahezu gleich bleibt und damit
auch der Gang. Durch eine geeignete Kombination der Temperatur-und Spannungsabhängigkeit
der Diode mit einem Vorwiderstand geeigneter Eigenschaften kann bei gegebener Spulenanordnung
eine gute Temperaturkompensation erreicht werden.
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Die Diode parallel zur Arbeitsspule zu schalten, würde zwar prinzipiell
auch eine Temperaturkompensierung ermöglichen, aber wegen des Energieverlustes im
Arbeitskreis nicht die günstige Wirkung haben.
4.) Gegenseitige
Verschiebung von Steuerspule und Arbeitsspule.
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Aus der Fig. 2 geht schon hervor, daß die Spulenstellung einen Einfluß
auf den Einsatz des Impulses und damit auf die Temperaturabhängigkeit des Ganges
hat.' Bei einer magnetischen Steuerung und Impulsübertragung kann man zur Steuerung
und Impulsübertragung entweder die Steuer- und Arbeitsspule auf die verschiedenen
Pole N, S wirken lassen oder auch auf denselben Pol N oder S, wie dies Fig. 6 und
7 zeigen.
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Bei zweiseitiger Spulenanordnung hat man die Möglichkeit, die eine
Spule, sei es Steuerspule oder Arbeitsspule oder beide, zu verschieben und damit
den Impulseinsatz im Sinne der Abb. 2 zu verschieben, möglichst jedoch so, daß der
Schwerpunkt des mechanischen Impulses zur Zeit größter Pendelgeschwindigkeit erfolgt.
Dadurch läßt sich gemäß Fig. 6b eine weitgehende Änderung des Ganges je Temperaturänderung
Q g/A J-erzielen, die sowohl positiv als auch negativ sein kann. Dabei ist
auf der Abszisse die Verschiebung der Spule aufgetragen, auf der Ordinate die Gangänderung
p g in sec/Tag, wenn der Transistor von 100C auf 400C erwärmt wird. Man erkennt,
daß man durch eine solche Verschiebung der Spulen das Pendel so ausgleichen kann,
daß der Gang der Uhr bei veränderlicher Temperatur praktisch konstant bleibt.
Bei
einseitiger Spulenanordnung kann man die Spulen nur auf einen Pol wirken lassen.
Eine leichte Verschiebung der beiden Spulen gegeneinander ist hierbei nicht bequem.
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Andererseits kann man eine solche feste gegenseitige Zage der Spulen
wählen, daß ein vorgegebener Temperaturgang des Pendels oder der Unruhe ausgeglichen
wird. Eine gleichzeitige Verschiebung beider Spulen gegenüber dem Magnetpol bzw.
gegenüber der Zage größler Pendelgeschwindigkeit bewirkt gemäß Fig. 7 eine geringe
Änderung ,d g des Ganges bei Temperaturänderung. Auch hiermit kann man also durch
Verschiebung beider in festem Abstand zueinander befindlicher Spulen die Temperaturabhängigkeit
vermindern oder kompensieren.
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Bei der einseitigen Spulenanordnung ist die Kopplung zwischen Steuerspule
und Arbeitsspule auch ohne Bewegung des Pendels so stark, daß dadurch eine Selbsterregung
zwischen Steuerkreis und Arbeitskreis infolge Rückkopplungsschwingungen auftreten
kann, die unter Umständen zu hohen Wechselstromverlusten führen kann oder ungleichmäßigen
Impuls ergibt. Es ist daher von Vorteil, zur Vermeidung dieser Selbsterregung einen
Neutralisationskondensator zwischen Kollektor und Basis zu legen. Die Batterie wird
schaltungsmäßig vorteilhafterweise so angeordnet, daß nur höchstens drei Anschlüsse
von der Spulenanordnung
mit Transistor zur Batterie samt Kondensator
führen. Eine Dämpfung dieser Rückkopplungsschwingungen durch Ohm'sche Widerstände
würde einen unnötigen Energieverlust bedingen und nur bei relativ loser Kopplung
mit erträglichen Leistungsverlusten vertretbar sein. Parallel zu den Spulen gelagerte
Kondensatoren müßten zur Vermeidung der Selbsterregung ungünstiger bemessen werden.
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Die Temperaturabhängigkeit der Halbleiter ist eine a
physikalische
Tatsache. Sie ist bei den Silicium-Transistoren zwar geringer als bei den Germanium-Transistoren.
Da aber alle Halbleiterverstärker temperaturabhängig sind, muß der Einfluß dieser
Temperaturabhängigkeit auf den Gang bei allen elektronischen Halbleiterverstärkern
berücksichtigt werden. Da man sie mit den angeführten Mitteln eliminieren kann,
spielt die Temperaturabhängigkeit des mechanischen Gangreglers selbst keine Rolle
mehr. Man kann daher einfachere mechanische Teile für den Gangregler verwenden.
So müssen z.B. die Unruhspirale oder die Pendelstange nicht von vornherein temperaturkompensiert
sein.