DE1523991C3 - 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 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 inrgünstigsten Moment, d.h. in der wirksamsten Lage des elektromagnetischen Antriebssystems, auftreten. Es ist dabei'höchstens möglich, die. günstigsten " Phasenbedingurigery' entweder' im 'Anschwingzustand 5 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 Schwin-

. gungsamplitude 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 Kippschalung' ein nichtlineares Element geschaltet· ist, dessen Widerstand mit zunehmender Betriebsspannung abnimmt.

Durch das hierdurch bedingte 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 Fig.3 bis 6 Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Antriebsschaltung. .

Die in F i g. 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._vSie.jst 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 Transistors 5 infolge des Widerstandes 9 auftretende Spannung wird über einen Widerstand 10 der Basis des Transitors 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 ί und 5 sind komplementäre Transistoren, d. h. PN P/N PN oder NPN/PNP. Die Schaltung kann so eingestellt werden, daß die Transistoren 3 und 5 nur kurz-

zeitig leitend werden und während wesentlich längerer Zeit gesperrt bleiben. Die Schaltung arbeitet daher mit verhältnismäßig geringem Stromverbrauch.

Wie Fj 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 angeordnet 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 Spannunghängt 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 ig. 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 varia- ble 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 F i g. 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 Transitor 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 Nebenimpulsen P induziert. Je nach der Schwingungsrichtung ist der Hauptimpuls positiv oder 5P negativ (F i g. 5 und 6).

Wenn die beiden Transistoren 3 und 5 zwischen aufeinanderfolgenden Antriebsimpulsen gesperrt 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 F i g. 3 angegebenen Arbeitspunkt 12 am unteren Ende ihrer Charakteristik, wo ihr Gleichstromwiderstand relativ 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 Punkt 13 der Diodencharakteristik. Aus F i g. 3 ist ohne weiteres ersichtlich, daß hierbei für eine verhältnismäßig geringe Spannungsänderung eine bedeutende Stromänderung eintritt. Ist die Steuerspannung höher, so wird der Arbeitspunkt 14 oder selbst der Arbeitspunkt 15 erreicht,

d. h., daß für höhere ' Steüe'rsp'annungen jtfer. 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 um so stärkerer, je höher die Spannung des Impulses ist. Es 1st somit klar, daß dem Spannungsabfall in der Diode entgegenwirkende Steuerinipulse 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. Andererseits 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 Zeitkanstante dieses Übertragungsnetzwerkes ist veränderlich,, weil der Widerstand der Diode 2 je nach Spannung der Steuerimpulse sich ändert. Wie erwähnt, nimmt der Übertragungswiderstand durch die Diode 2 mit ansteigender Spannung der die Stromimpulse in den Transistoren auslösenden Steuerimpulse zu, so daß auch die Zeitkonstante des Übertragungsnetzwerkes 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 Richtung des Stromflusses in der Diode wirkenden Spannungsimpuls 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 Wahl der Kondensatoren 4 und 8 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 Ansprechschwelle auftretenden Phasenverschiebungen sind an Hand der F i g. 4 erläutert. Während der Antriebsimpuls E bei verhältnismäßig geringer Amplitude der Steuerimpulse C (Schema A in F i g. 4) symmetrisch bezüglich der Steuerimpulse liegt, fällt der Antriebsimpuls E' gemäß Schema B der F i g. 4 auf die Vorderflanke eines Steuerimpulses C höherer Amplitude. Zwischen den in F i g. 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 Antriebsimpuls während einer vollen Schwingung (zwei Halbschwingungen) der Unruh zu erzeugen, womit ein Antrieb erreicht wird, der demjenigen mittels Chronometerhemmung entspricht. Verwendet man nämlich ein ungerades elektrodynamisches System der in F i g. 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 F i g. 5 und 6 zeigen. Die dem Hauptimpuls zugeordneten Nebenimpulse P waren an sich auch in der Lage, einen Antriebsimpuls auszulösen. Aus diesem Grunde werden bei bekannten Systemen mit fester Ansprechschwelle bei jeder Halbschwingung des Resonators in verschiedenen Zeitpunkten Antriebsimpulse E bzw. E'erzeugt (Fig. 5). Beim beschriebenen System gemäß vorliegender Erfindung lösen nur noch die Hauptimpulse C jedes zweiten Steuerimpulses Antriebsimpulse 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" Nichtlinearität der Dipde 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 dem 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 Übertragungsnetzwerk mit einem nichtlinearen 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 Schaltungen der Fall ist, sondern die Entladung erfolgt ebenfalls über die Diode 2 und den Widerstand 11. Man kann daher die Schaltung 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 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 def Verlagerung des Arbeitspunktes. Zur Übertragung eier Steuerimpulse arbeitet sie am unteren Ende ihrer Charakteristik, wo dieselbe eine starke Krümmung aufweist. Zur Übermittlung der Artfriefesimpulse arbeitet sie im praktisch linearen Teil der Charakteristik, wo ihr Widerstand sehr gering ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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 nicht-' lineares 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. ' . ο-;;

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

' 6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die. Steuersignale vonv 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 Kippschaltungals Multivibrator mit zwei Transistoren (3, 5) ausgebildet ist, wobei die Diode'(2) und die gemeinsame Steuer- und Antriebsspule (1) sowie der eine Transistor (3) in 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 Transitor (3) ein Widerstand (11) parallel geschaltet ist.