DE1523991A1 - Antriebsschaltung fuer einen Resonator - Google Patents

Description

Patentanwalt Bensheim-Auerbadi/Bergstr.

. Jahnsirafce 11 - , "3,

OMEGA Louis Brandt & j re, re S.A., Biel (Schweiz).

Antriebsschaltung für einen Resonator.

Pie vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsschaltung für einen Resonator, insbesondere die Unruh eines Uhrwerks, mit einer einzigen Steuer- und Antriebsspule, die mit einem rückgekoppelten Verstärker in Verbindung steht und in welcher bei schwingendem Resonator Steuersignale induziert werden, die den Verstärker zur Uebermittlung von die Schwingung aufrechterhaltenden Stromimpulsen an die Spule steuern.

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Bei bekannten Schaltungen dieser Art ist die einzige vorhandene Spule entweder direkt oder über lineare Schaltelemente oder linear wirkende Schaltungenmit dem Verstärker verbunden. Es treten dabei bedeutende Mangel auf, indem es schwer fällt, die Antriebsimpulse für alle Amplituden des Resonators so auszulösen, dass sie im günstigsten Moment, d.h., in der wirksamsten Lage des elektromagnetischen Antriebssystems auftreten. Es ist dabei höchstens möglich, die günstigsten Phasenbedingungen entweder im Anschwingzustand oder aber bei voller Amplitude zu erfüllen. Im ersten Falle ist zwar ein sicherer, rascher Einsatz der Schwingung gewährleistet, was besonders bei Ausbildung des Resonators als Unruh wesentlich ist, aber bei voller Schwingung bewirkt' die ungünstige Phasenlage der Antriebsimpulse einen schlechten Wirkungsgrad und eine Störung des Isochroniamus· Im zweiten Falle sind dagegen wohl günstige Verhältnisse bei voller Schwingüngsamplitude möglich, aber der Resonator schwingt unsicher und langsam an·

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, diese Nachteile zu beheben und durch eine einfache Massnahme zugleich ein sicheres rasches Anschwingen des Resonators aus dem Ruhezustand und einen Betrieb mit günstigster Phasenlage der Antriebsimpulse und somit höchstem Wirkungsgrad bei voller Schwingungsamplitude zu erzielen. Die erfindungsgemässe Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer mit zunehmender Amplitude der Steuersignale, bzw. der Schwingung des Resonators ansteigenden Steuerschwelle zur Auslösung des Stromimpulses zwischen

Spule und Verstärker ein nichtlineares Element geschaltet ist, dessen Widerstand mit zunehmender Betriebsspannung abnimmt. Durch das Ansteigen der Steuerschwelle zur Auslösung des Stromimpulses wird erreicht, dass bei geringer Amplitude des Resonators und der Steuerimpulse starke Antriebsimpulse ausgelöst werden, die ein rasches Anschwingen gewährleisten. Bei hoher Amplitude des Resonators und der induzierten Steuerimpulse steigt die Steuerschwelle soweit an, dass die Antriebsimpulse stets nur durch die Spitzen der Steuerimpulse ausgelöst werden und somit die richtige Phasenlage aufweisen. Zugleich tritt eine Verkürzung der Antriebsimpulse und damit eine Abnahme des Energieverbrauchs bei hoher Resonatoramplitude auf, so dass die Schaltung auch eine wirksame Amplitudenregelung bewirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Antriebsschaltung ist in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 ist das elektrische Schema der Schaltung, Fig. 2 zeigt das elektro-dynamische Antriebssystem und die Fig. 3 -, 6 Zeigen Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemässen Antriebsschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung weist eine Spule 1 auf, deren Magnetfeld beim Stromfluss in der Spule zusammen mit dem Feld eines der Spule zugeordneten Permanentmagneten einen mechanischen Antriebsimpuls erzeugt. Die Spule kann fest oder auf der Unruh angeordnet sein. Sie ist über eine Diode 2 mit einem Transistor 3 und Über einen Kondensator 4 mit dem Transistor5 verbunden. Die die Eigenfrequenz des die Transistoren

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und 5 enthaltenden Kreises im wesentlichen bestimmenden Widerstände 6 und 7 sowie der Kondensator 8 sind so gewählt, dass . der Kreis bei einer etwas unter der Eigenfrequenz des Resonators liegenden Frequenz schwingt. Die am Kollektor des Transistors 5 infolge des Widerstandes 9 auftretende Spannung wird über einen Widerstand 10 der Basis des Transistors 3 zugeführt, wobei die Schaltung so getroffen ist, dass der Transistor 5 leitend wird, wenn der Transistor 3 leitet. Dem Transistor 3 ist ein Widerstand 11 parallel geschaltet. Die Transistoren 3 und 5 sind komplementäre Transistoren, d.h. PNP/NPN oder NPN/PNP. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Kreises ist auch in Fig. 6> des Schweizer Patentes 347 783 dargestellt. Die Schaltung kann so eingestellt werden, dass die Transistoren 3 und 5 nur kurzzeitig leitend werden und während wesentlich längerer Zeit gesperrt bleiben. Die Schaltung arbeitet daher mit verhältnismässig geringem Stromverbrauch.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Spule 1 und ein Ausgleichssystem 16 auf der Unruhachse 17 befestigt. Die Spule 1 ist mittels zweier Spiralfedern 18 und 19, von welchen die eine isoliert' angeordnet ist, mit dem elektronischen Kreis verbunden. Bei Gleichgewichtslage der Unruh befindet sich die Spule 1 in symmetrischer Lage bezüglich eines Systems vom Permanentmagneten 20 und 21. Die Form der in der Spule induzierten Spannung hängt von der Gesamtzahl magnetischer Achsen ab, wobei die Spulenachsen und die Achsen der permanenten Magnetfelder gezählt werden. So erzeugen beispielsweise zwei Magnete in einer

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Spule einen symmetrischen Spannungsverlauf mit drei Halbwellen (Fig. 6). Es ist nun wichtig, dass der Antriebsimpuls nur durch die Hauptwelle der Steuerspannung ausgelöst werde, nicht aber durch die Nebenweilen. Beim Anschwingen der Unruh aus ihrem Stillstand ist jedoch die Spannung der Hauptwelle geringer als die Spannung, welche die Nebenwellen bei voller Amplitude der Unruh erreichen werden. Gerade aus diesem Grunde ist die variable Schwelle von grösster Wichtigkeit, weil es nur so möglich ist, dass unabhängig von der Schwingungsamplitude der Unruh immer nur die Hauptwelle der Steuerspannung den Antriebsimpuls auslöse.

Die Diode 2 kann vorzugsweise als degenerierte Tunnel-Diode (backward diode) ausgebildet sein. Anstelle einer Diode kann jedes andere geeignete nicht lineare Element, beispielsweise ein Transistor oder ein nicht linearer Widerstand verwendet werden.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 ist im folgenden anhand der Fig. 3 bis 6 eingehender erläutert.

Wie bereits erwähnt, tritt im rückgekoppelten Verstärker eine selbsterregte Schwingung auf, deren Frequenz ohne äusseren Einfluss etwas unterhalb derjenigen der Unruh liegt und die gekennzeichnet ist durch periodische kurze Stromimpulse in den beiden Transistoren 3 und 5. Die Strompimpulse im Transistor 3 gelangen in Durchlassrichtung durch die Diode 2 zur Spule 1 und bewirken ein Anschwingen der Unruh 1. Hat die Unruhamplitude eine gewisse Amplitude erreicht, bei welcher die Spule 1 vollständig aus den beiden Feldteilen der Magnete 20, 21 austritt,

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so werden in derselben bei den Nulldurchgängen Steuerimpulse gemäss. Fig. 4 bis 6 mit Hauptimpulsen C und Nebenimpulsen P induziert. Je nach der Schwingungsrichtung ist der Hauptimpuls positiv oder negativ (Fig. 5 und 6).

Wenn die beiden Transistoren 3 und 5 zwischen aufeinander-

Antriebsimpulsen
folgendenVgesperrt sind, fliesst ein gewisser, in erster Linie durch den Widerstand 11 bestimmter geringer Ruhestrom in Durchlassrichtung durch die Diode 2 und die Spule 1. Die Diode 2 arbeitet dabei etwa in dem in Fig. 3. angegebenen Arbeitspunkt 12 am unteren Ende ihrer Charakteristik j wo ihr Gleichstromwiderstand hoch ist. Wirkt ein verhältnismässig schwacher Steuerimpuls dem durch den Ruhestrom in der Diode verursachten Spannungsabfall Va entgegen, so wandert der Arbeitspunkt der Diode nach unten, beispielsweise zum Funkt 13 der Diodencharakteristik. Aus Fig. 3 ist ohne weiteres ersichtlich, dass hierbei für eine verhältnismässig geringe Spannungsäriderung eine bedeutende Stromänderung eintritt. Ist die Steuerspannung höher, so wird der Arbeitspunkt 14 oder selbst der Arbeitspunkt 15 erreicht, d.h. dass für höhere Steuerspannungen der Strom durch die Diode nicht mehr entsprechend abnimmt, d.h. dass der durch die Diode 2 dem Durchgang der Steuerimpulse entgegengesetzte dynamische Widerstand mit zunehmender Spannung der Steuerimpulse ansteigt. Wirkt ein in der Spule 1 induzierter Spannungsimpuls in Richtung des Spannungsabfalls in der Diode so erfolgt entsprechend ein Stromanstieg und zwar ein umso stärkerer, je höher die Spannung des Impulses ist. Es ist somit klar,

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dass dem Spannungsabfall in der Diode entgegenwirkende Steuerimpulse eine Stromabnahme verursachen, womit die Spannung am Kollektor des Transistors 3 und somit an der Basis des Transistors 5 ansteigt und einen neuen Stromimpuls in den beiden Transistoren auslösen kann. Anderseits ist auch klar, dass in Richtung des Spannungsabfalls in der Diode, wirkende in.der Spule induzierte Impulse eine Stromzunahme in der Diode bewirken, die stärker ist als die durch entsprechende entgegengesetzt wirkende Impulse verursachte Stromabnahme.

Da die Steuerimpulse von der Spule 1 über die Diode 2 und den Kondensator 4 an die Basis des Transistors 5 übertragen werden, erfahren sie in diesem übertragungsnetzwerk eine gewisse Verzögerung, die vom Werte der Kondensatoren 4 und 8 und vom Widerstand der Diode 2 abhängt· Die Zeitkonstante dieses Uebertragungsnetzwerkes ist veränderlich, weil der Widerstand der Diode 2 je nach Spannung der Steuerimpulse sich ändert. Wie erwähnt, nimmt der Uebertragungswiderstand durch die Diode 2 mit ansteigender Spannung der die Stromimpulse in den Transistoren auslösenden Steuerimpulse zu, so dass auch die Zeitkonstante des Uebertragungsnetzwerkes mit steigender Steuerspannung zunimmt. Da ausserdem, wie oben erwähnt, der Stromfluss in der Diode zwischen aufeinanderfolgenden Antriebsimpulsen gesamthaft ansteigt, wenn die Amplitude der in der Spule induzierten Spannungsimpulse zunimmt, wobei der Stromanstieg hauptsächlich dem die Antriebsimpulse nicht auslösenden, mit seinem Hauptimpuls C in Richtung⁸ des Stromflusses in der Diode wirkenden Spannungs-

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impuls zuzuschreiben ist, erfolgt mit zunehmender Amplitude der Unruh, bzw. der Steuerimpulse eine zunehmende Entladung der die Relaxationsperiode der Schaltung mitbestimmenden Kondensatoren 4 und 8 über die Diode, wodurch die Relaxationsperiode verlängert, d.h., die Steuerschwelle oder Auslöseschwelle erhöht wird. Es wurde experimentell festgestellt, dass durch entsprechende Vahl der Kondensatoren 4 und 8 und des Arbeitspunkts 12 der Diode 2, welcher Arbeitspunkt durch Einstellen des vorzugsweise variablen Widerstandes 11 eingestellt werden kann, eine Schaltung mit variabler Ansprechschwelle erzielt wird» derart, dass die bei leitendem Zustand der Transistoren 3 und 5 durch den Transistor 3 und Diode 2 an die Spule 1 abgegebenen Antriebsimpulse bezüglich der Steuerimpulse stets die richtige Phase aufweisen.

Die in bekannten Schaltungen mit fester Ansprechschvelle auftretenden Phasenverschiebungen sind anhand der Fig. 4 erläutert. Während der Antriebsimpuls E bei verhältnismässig geringer Amplitude der Steuerimpulse C (Schema A in Fig. 4) symmetrisch bezüglich der Steuerimpulse liegt, fällt der An-^; triebsimpuls E¹ gemäss Schema B der Fig. 4 auf die Vorderflanke eines Steuerimpulses G höherer Amplitude. Zwischen den in Fig. 4 angegebenen Pfeilen ist die Phasenverschiebung D zwischen den Antriebsimpulsen bei grosser bzw. geringer Amplitude der Steuerimpulse angegeben.

Eine wesentliche Eigenschaft der dargestellten Antriebsschaltung besteht in der Möglichkeit, einen einzigen Antriebs-

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impuls während einer vollen Schwingung (2 Halbschwingungen) der Unruh zu erzeugen, womit ein Antrieb erreicht wird, der demjenigen mittels Chronometerhemmung entspricht. Verwendet man nämlich ein ungerades elektrodynamisches System, der in Fig. 2 dargestellten Art, bei welchem die Summe der permanenten und elektrischen Feldachsen ungerade ist, so wechselt die Polarität der Steuerimpulse bei jeder Halbschwingung wie die Fig* 5 und 6 zeigen. Die dem Hauptimpuls zugeordneten Nebenimpulse P wären an sich auch in der Lage j einen Antriebsimpuls auszulösen. Aus diesem Grunde werden bei bekannten Systemen mit fester Ansprechschwelle bei jeder Halbschvingung des Resonators in verschiedenen Zeitpunkten Antriebsimpulse E bzw. E¹ erzeugt (Fig.. 5). Beim beschriebenen System gemäss

vorliegender Erfindung lösen nur noch die Hauptimpulse C jedes zweiten Steuerimpulses Antriebsimpülse aus.

Es sei noch auf die besondere Bedeutung des Widerstandes 11 hingewiesen. Mittels dieses Widerstandes kann der Arbeitspunkt der Diode 2 eingestellt werden, dessen Lage darüber bestimmt, in welchem Masse die Alinearität der Diode in der beschriebenen Weise wirksam wird. Es wurde festgestellt, dass durch entsprechende Einstellung des Widerstandes 11 die Auslösung der Antriebsimpulse innerhalb eines gewissen Bereiches vor, nach oder genau auf den Zeitpunkt maximaler Spannung des Steuerimpulses verlegt werden kann. '

Von besonderer Bedeutung ist auch die Tatsache, dass zwischen der Spule 1 und dem durch sie gesteuerten Transistor 5 ein

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Uebertragungsnetzwerk mit einem alinearen Element liegt. Die Zeitkonstanten des Relaxations-Oszillators sind nicht mehr ausschliesslich durch die Widerstände 6 und 7 sowie die Kapazitäten 4 und 8 gegeben wie dies bei bekannten Kreisen der Fall ist, sondern die Entladung erfolgt ebenfalls über die Diode 2 und den Widerstand 11. Man kann daher den Kreis passend bemessen, um den günstigsten Wert der Zeitkonstante zu erhalten und ausserdem den Stromfluss im Transistor 5 auf ein Minimum zu beschränken.

Wie erwähnt, kann anstelle der Diode 2 ein anderes nichtlineares Schaltelement mit veränderlichem Widerstand oder veränderlicher Impedanz verwendet werden, aber die Diode hat den besonderen Vorteil, dass sie für die Antriebsimpulse einen sehr geringen Widerstand darstellt. Der grosse Vorteil der Diode liegt also in der Verlagerung des Arbeitspunktes. Zur Uebertragung der Steuerimpulse arbeitet sie am unteren Ende ihrer Charakteristik wo dieselbe eine starke Alinearität aufweist. Zur Uebermittlung der Antriebsimpulse arbeitet sie im praktisch linearen Teil der Charakteristik, wo ihr Widerstand sehr gering ist.

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Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE!

   I)) Antriebsschaltung für einen Resonator, insbesondere die Unruh eines Uhrwerks, mit einer einzigen Steuer- und Antriebsspule, die mit einem rückgekoppelten Verstärker in Verbindung steht und in veIcher bei schwingendem Resonator Steuersignale induziert werden, die den Verstärker zur Uebermittlung von die Schwingung aufrechterhaltenden Stromimpulsen an die Spule steuern, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer mit zunehmender Amplitude der Steuersignale bzw. der Schwingung des Resonators ansteigenden Steuerschwelle zur Auslösung des Stromimpulses zwischen Spule und Verstärker ein nichtlineares Element geschaltet ist, dessen Widerstand mit zunehmender Betriebsspannung abnimmt.
2. 2) Schaltung nach Anspruch l), dadurch gekennzeichnet, dass das genannte nichtlineare Element als Diode ausgebildet ist, wobei die Stromimpulse in Durchlassrichtung durch die Diode flie ssen.
3. 3) Schaltung nach Anspruch 2), dadurch gekennzeichnet, dass an der Diode eine Ruhespannung liegt und in der Diode ein Ruhestrom in Durchlassrichtung fliesst.
4. 4) Schaltung nach Anspruch 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhespannung und der Ruhestrom durch einen mit der Diode in Serie liegenden Widerstand mitbestimmt ist.
5. 5) Schaltung nach Anspruch 4), dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand veränderbar ist.

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6. 6) Schaltung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale rom Steuerorgan durch das nichtliheare Element und eine dazu in Serie und/oder parallel liegende Kapazität übertragen werden, wobei die Zeitkonstante des derart gebildeten Uebertragungsnetzwerks mit den Aenderungen des nichtlinearen Elements bzw. mit den Aenderungen der Spannung der Steuerimpulse ändert.
7. 7) Schaltung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Element als Transistor oder nichtlinearer Widerstand ausgebildet ist.
8. 8) Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rückgekoppelte Verstärker als schwingfähiges System, z.B. Multivibrator, mit einer unterhalb der Eigenfrequenz des Resonators liegenden Eigenfrequenz ausgebildet ist.
9. 9) Schaltung nach Anspruch 8), dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker zwei Transistoren aufweist, wobei die Diode und die gemeinsame Steuerspule und Antriebsspule sowie der eine Transistor in Durchlassrichtung in Serie an die Spannungsquelle geschaltet sind und wobei der zweite Transistor über einen zwischen dem einen Transistor und der Diode angeschalteten Kondensator gesteuert wird.
10. 10) Schaltung nach Anspruch 9), dadurch gekennzeichnet, dass dem erwähnten einen Transistor ein Widerstand parallel geschaltet ist.

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