DE1523991B2 - Antriebsschaltung für einen mechanischen Resonator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsschaltung für einen mechanischen Resonator, insbesondere die Unruh eines Uhrwerks, mit einer einzigen Steuer- und Antriebsspule, die mit einer elektronischen Kippschaltung in Verbindung steht und in welcher bei schwingendem Resonator Steuersignale induziert werden, die die Kippschaltung zur Übermittlung von die Schwingung aufrechterhaltenden Stromimpulsen an die Spule synchronisieren.

Bei bekannten Schaltungen dieser Art ist die einzige vorhandene Spule entweder direkt oder über lineare Schaltelemente oder linear wirkende Schaltungen mit dem Verstärker verbunden. Es treten dabei bedeutende Mängel 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 Isochronismus. Im zweiten Falle sind dagegen wohl günstige Verhältnisse bei voller Schwingungsamplitude möglich, aber der Resonator schwingt unsicher und langsam an.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beheben und durch eine einfache Maßnahme zugleich ein sicheres rasches Anschwingen des Resonators aus dem Ruhezustand und einen Betrieb mit günstiger Phasenlage der Antriebsimpulse und somit höchstem Wirkungsgrad bei voller Schwingungsamplitude zu erzielen. Die erfindungsgemäße Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spule und Kippschaltung 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 so weit 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.

Es zeigt

F i g. 1 das elektrische Schema der Schaltung,

F i g. 2 das elektro-dynamische Antriebssystem und

F i g. 3 bis 6 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 Transistor 5 verbunden. Die die Eigenfrequenz der die Transistoren 3 und 5 enthaltenden Schaltung im wesentlichen bestimmenden Widerstände 6 und 7 sowie der Kondensator 8 sind so gewählt, daß die Schaltung bei einer etwas unter der Eigenfrequenz des mechanischen Resonators liegenden Frequenz schwingt. Die am Kollektor des

ίο 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. 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 F i g. 2 zeigt, sind die Spule 1 und ein Gegengewicht 16 auf der Unruhwelle 17 befestigt. Die Spule 1 ist mittels zweier Spiralfedern 18 und 19, von

welchen die eine isoliert ange"ordiiet ist, mit der elektronischen Schaltung 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 Spule einen symmetrischen Spannungsverlauf mit drei Halbwellen (F i g. 6). Es ist nun wichtig, daß der Antriebsimpuls nur durch die Hauptwelle der Steuerspannung ausgelöst wird, nicht aber durch die Nebenwellen. 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. Gerade aus diesem Grunde ist die variable Ansprechschwelle der Kippschaltung von größter Wichtigkeit, weil es nur so möglich ist, daß unabhängig von der Schwingungsamplitude der Unruh immer nur die Hauptwelle der Steuerspannung den Antriebsimpuls auslöst.

Die Diode 2 kann vorzugsweise als degenerierte Tunnel-Diode (backward diode) ausgebildet sein.

An Stelle 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 an Hand der F i g. 3 bis 6 eingehender erläutert.

Wie bereits erwähnt, tritt in der Kippschaltung 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 Stromimpulse im Transistor 3 gelangen in Durchlaßrichtung durch die Diode 2 zur Spule 1 und bewirken ein Anschwingen der Unruh 1. Hat die Unruh eine gewisse Amplitude erreicht, bei welcher die Spule 1 vollständig aus den beiden Feldteilen der Magnete 20, 21 austritt, so werden in derselben bei den Nulldurchgängen Steuerimpulse gemäß F i g. 4 bis 6 mit Hauptimpulsen C und Neben-

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impulsen P induziert. Je nach der Schwingungsrich- die Relaxationsperiode verlängert, d. h. die Steuer-

tung ist der Hauptimpuls positiv oder negativ schwelle oder Auslöseschwelle erhöht wird. Es wurde

(F i g. 5 und 6). experimentell festgestellt, daß durch entsprechende

Wenn die beiden Transistoren 3 und 5 zwischen Wahl der Kondensatoren 4 und 8 des Arbeitspunkts aufeinderfolgenden Antriebsimpulsen gesperrt sind, 5 12 der Diode 2, welcher Arbeitspunkt durch Einfließt ein gewisser, in erster Linie durch den Wider- stellen des vorzugsweise variablen Widerstandes stand 11 bestimmter geringer Ruhestrom in Durch- 11 eingestellt werden kann, eine Schaltung mit laßrichtung durch die Diode 2 und die Spule 1. Die variabler Ansprechschwelle erzielt wird, derart, Diode 2 arbeitet dabei etwa in dem in F i g. 3 ange- daß die bei leitendem Zustand der Transistoren 3 gebenen Arbeitspunkt 12 am unteren Ende ihrer io und 5 durch den Transistor 3 und Diode 2 an Charakteristik, wo ihr Gleichstromwiderstand relativ die Spule 1 abgegebenen Antriebsimpulse behoch ist. Wirkt ein verhältnismäßig schwacher Steuer- züglich der Steuerimpulse stets die richtige Phase aufimpuls dem durch den Ruhestrom in der Diode ver- weisen.

ursachten Spannungsabfall Va entgegen, so wandert Die in bekannten Schaltungen mit fester Ansprechder Arbeitspunkt der Diode nach unten, beispiels- 15 schwelle auftretenden Phasenverschiebungen sind an weise zum Punkt 13 der Diodencharakteristik. Aus Hand der F i g. 4 erläutert. Während der Antriebs-F i g. 3 ist ohne weiteres ersichtlich, daß hierbei für impuls-E bei verhältnismäßig geringer Amplitude der eine verhältnismäßig geringe Spannungsänderung Steuerimpulse C (Schema A in F i g. 4) symmetrisch eine bedeutende Stromänderung eintritt. Ist die bezüglich der Steuerimpulse liegt, fällt der Antriebs-Steuerspannung höher, so wird der Arbeitspunkt 14 20 impuls E' gemäß Schema B der F i g. 4 auf die Vor- oder selbst der Arbeitspunkt 15 erreicht, d.h., daß derflanke eines Steuerimpulses C höherer Amplitude:"' für höhere Steuerspannungen der Strom durch die Zwischen den in F i g. 4 angegebenen Pfeilen ist die Diode nicht mehr entsprechend abnimmt, d. h., daß " Phasenverschiebung D zwischen den Antriebsimpulder durch die Diode 2_y dem Durchgang der Steuer- sen bei großer bzw. geringer Amplitude der Steuerimpulse entgegengesetzte dynamische Widerstand mit 25 impulse angegeben. <*
zunehmender Spannung der Steuerimpulse ansteigt. Eine wesentliche Eigenschaft der dargestellten Wirkt ein in der Spule 1 induzierter Spannungs- Antriebsschaltung besteht in der Möglichkeit, einen impuls in Richtung des Spannungsabfalls in der einzigen Antriebsimpuls während einer vollen Diode, so erfolgt entsprechend ein Stromanstieg, und Schwingung (zwei Halbschwingungen) der Unruh zu zwar ein um so stärkerer, je höher die Spannung des 30 erzeugen, womit ein Antrieb erreicht wird, der dem-Impulses ist. Es ist somit klar, daß dem Spannungs- jenigen mittels Chronometerhemmung entspricht, abfall in der Diode entgegenwirkende Steuerimpulse Verwendet man nämlich ein ungerades elektrodynaeine Stromabnahme verursachen, womit die Span- misches System der in F i g. 2 dargestellten Art, bei nung am Kollektor des Transistors 3 und somit an welchem die Summe der permanenten und elektrider Basis des Transistors 5 ansteigt und einen neuen 35 sehen Feldachsen ungerade ist, so wechselt die PoIa-Stromimpuls in den beiden Transistoren auslösen rität der Steuerimpulse bei jeder Halbschwingung, kann. Andererseits ist auch klar, daß in Richtung wie die F i g. 5 und 6 zeigen. Die dem Hauptimpuls des Spannungsabfalls in der Diode wirkende, in der zugeordneten Nebenimpulse P wären an sich auch Spule induzierte Impulse eine Stromzunahme in der in der Lage, einen Antriebsimpuls auszulösen. Aus Diode bewirken, die stärker ist als die durch ent- 40 diesem Grunde werden bei bekannten Systemen mit sprechende entgegengesetzt wirkende Impulse ver- fester Ansprechschwelle bei jeder Halbschwingung ursachte Stromabnahme. des Resonators in verschiedenen Zeitpunkten An-

Da die Steuerimpulse von der Spule 1 über die triebsimpulse E bzw. E' erzeugt. (F i g. 5). Beim ber Diode 2 und den Kondensator 4 an die Basis des schriebenen System gemäß vorliegender Erfindung Transistors 5 übertragen werden, erfahren sie in 45 lösen nur noch die Hauptimpulse C jedes zweiten diesem Übertragungsnetzwerk eine gewisse Verzöge- Steuerimpulses Antriebsimpulse aus.
rung, die vom Werte der Kondensatoren 4 und 8 und Es sei noch auf die besondere Bedeutung des · vom Widerstand der Diode 2 abhängt. Die Zeitkon- Widerstandes 11 hingewiesen. Mittels dieses Widerstante dieses Übertragungsnetzwerkes ist veränder- Standes kann der Arbeitspunkt der Diode 2 eingelich, weil der Widerstand der Diode 2 je nach Span- 5° stellt werden, dessen Lage darüber bestimmt, in weinung der Steuerimpulse sich ändert. Wie erwähnt, chem Maße die Nichtlinearität der Diode in der nimmt der Übertragungswiderstand durch die Diode 2 beschriebenen Weise wirksam wird. Es wurde festmit ansteigender Spannung der die Stromimpulse in gestellt, daß durch entsprechende Einstellung des den Transistoren auslösenden Steuerimpulse zu, so Widerstandes 11 die Auslösung der Antriebsimpulse daß auch die Zeitkonstante des Übertragungsnetz- 55 innerhalb eines gewissen Bereiches vor, nach oder werkes mit steigender Steuerspannung zunimmt. Da genau auf dem Zeitpunkt maximaler Spannung des außerdem, wie oben erwähnt, der Stromfluß in der Steuerimpulses verlegt werden kann.
Diode zwischen aufeinanderfolgenden Antriebsim- Von besonderer Bedeutung ist auch die Tatsache, pulsen gesamthaft ansteigt, wenn die Amplitude der daß zwischen der Spule 1 und dem durch sie gein der Spule induzierten Spannungsimpulse zunimmt, 60 steuerten Transistor 5 ein Übertragungsnetzwerk mit wobei der Stromanstieg hauptsächlich dem die An- einem nichtlinearen Element liegt. Die Zeitkonstantriebsimpulse nicht auslösenden, mit seinem Haupt- ten des Relaxations-Oszillators sind nicht mehr ausimpuls C in Richtung des Stromflusses in der Diode schließlich durch die Widerstände 6 und 7 sowie die wirkenden Spannungsimpuls zuzuschreiben ist, er- Kapazitäten 4 und 8 gegeben, wie dies bei bekannten folgt mit zunehmender Amplitude der Unruh bzw. 65 Schaltungen der Fall ist, sondern die Entladung erder Steuerimpulse eine zunehmende Entladung der folgt ebenfalls über die Diode 2 und den Widerstand die Relaxationsperiode der Schaltung mitbestimmen- 11. Man kann daher die Schaltung passend bemesden Kondensatoren 4 und 8 über die Diode, wodurch sen, um den günstigsten Wert der Zeitkonstante zu

erhalten und außerdem den Stromfiuß im Transistor 5 auf ein Minimum zu beschränken.

Wie erwähnt, kann an Stelle 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 in der Verlagerung des Arbeitspunktes. Zur Übertragung der Steuerimpulse arbeitet sie am unteren Ende ihrer Charakteristik, wo dieselbe eine starke Krümmung aufweist. Zur Übermittlung der Antriebsimpulse arbeitet sie im praktisch linearen Teil der Charakteristik, wo ihr Widerstand sehr gering ist.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Antriebsschaltung für einen mechanischen Resonator, insbesondere die Unruh eines Uhrwerks, mit einer einzigen Steuer- und Antriebsspule, die mit einer elektronischen Kippschaltung in Verbindung steht und in welcher bei schwingendem Resonator Steuersignale induziert werden, die die Kippschaltung zur Übermittlung von die Schwingung aufrechterhaltenden Stromimpulsen an die' Spule synchronisieren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spule (1) und kippschaltung ein nichtlineares Element (2) geschaltet ist, dessen Widerstand mit zunehmender Betriebsspannung abnimmt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element (2) eine Diode ist, wobei die Stromimpulse in Durchlaßrichtung durch die Diode fließen.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Diode ein Ruhestrom in Durchlaßrichtung fließt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruhestrom durch einen mit der Diode in Serie liegenden Widerstand (11) mitbestimmt ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (11) veränderbar ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale vom Steuerorgan durch das nichtlineare Element (2) und eine dazu in Serie liegende Kapazität (4) übertragen werden.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element (2) als Transistor oder nichtlinearer Widerstand ausgebildet ist.

8. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschaltung als Multivibrator mit zwei Transistoren (3,5) ausgebildet ist, wobei die Diode (2) und die gemeinsame Steuer- und Antriebsspule (1) sowie der eine Transistor (3) "ifr^Durchlaßrichtung in Serie an die Spannungsquelle geschaltet sind und wobei der zweite Transistor (5) über einen zwischen dem einen Transistor (3) und der Diode (2) angeschalteten Kondensator (4) gesteuert wird.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem einen Transistor (3) ein Widerstand (11) parallel geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen