DE1673742C3 - Elektrische Uhr mit elektromechanischen! Oszillator und Synchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Uhr mit Antrieb über einen batteriegespeisten, zeithaltenden Synchronmotor, dessen Drehzahl durch einen elektromechanischen Oszillator bestimmt ist, dessen mechanisches Oszillatorglied mit Hilfe eines ihm zugeordneten Anregungskreises und eines damit mit seinem Ausgang gekoppelten Transistorkreises durch elektromagnetische Mittel in Schwingung gehalten w'rd.

Beispielsweise aus der FR-PS 13 64 973 oder der CH-AS 9 650/62 sind elektrische Uhrantriebe mit diesen Merkmalen bekannt. Bei diesen Uhrantrieben wird der Synchronmotor direkt vom Ausgang des ersten Transistorkreises, d. h. des Oszillatorkreises gespeist. Dadurch ist bedingt, daß der Motor den elektromechanischen! Oszillator insofern belastet, als der Gütefaktor verkleinert wird und die Frequenzgenauigkeit des Oszillators beeinträchtigt wird. Darüber hinaus führen Temperatur- und Speisespannungsschwankungen dazu, daß die Schwingungsamplitude des mechanischen Oszillatorteils und damit auch dessen Schwingungsfrequenz beeinflußt werden. Solche Speisespannungsschwankungen, d. h. Schwankungen der Spannung der verwendeten Batterie, lassen sich praktisch bei einer solchen elektrischen Uhr nur sehr schwer und mit verhältnismäßig hohem Schaltungsaufwand ausschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine elektrische Uhr der eingangs genannten Art in dem Sinne zu verbessern, daß die Schwingungsfrequenz des Oszillators und damit die Drenzahl des Synchronmotors weitgehend unabhängig von Speisespannungsschwankungen und von der Belastung des Oszillators durch den nachgeschalteten Synchronmotor ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die elektrische Uhr gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Transistorkreises mit einem Transistorverstärkerkreis gekoppelt ist, von dessen Ausgang die Wicklungen des Synchronmotors gespeist sind und der mit seinem Eingang in dem Anregungskreis liegt, wobei in dem Anregungskreis ein die Stromimpulse in dem Anregungskreis begrenzender Stabilisierungswiderstand enthalten ist.

Durch den Transistorverstärkerkreis wird hierbei einerseits eine Beeinträchtigung des elektromechanischen Oszillators durch den Energiebedarf des Synchronmotors ausgeschlossen, während andererseits der Stabilisierungswiderstand zu einem automatischen Ausgleich von Spannungsschwankungen der Batterie führt, wie dies im einzelnen noch erläutert werden wird.

Damit wird mit sehr einfachen schaltungstechnischen Maßnahmen eine wesentliche Erhöhung der Frequenzhaltigkeit und Stabilität des Oszillatorteiles der Uhr erzielt.

Um die Temperaturabhängigkeit zu erhöhen, ist es gegebenenfalls vorteilhaft, wenn in dem Anregungskreis eine Temperaturkompensationsdiode liegt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen batteriebetriebenen Wecker gemäß der Erfindung in einer allgemeinen Seitenansicht seiner Einzelteile und

ίο F i g. 2 den mechanischen Oszillator des Weckers nach F i g. 1 in perspektivischer Darstellung zusammen mit einer schematischen Darstellung des Os/illatorstromkreises.

In F i g. 1 ist bei 1 das Gehäuse eines batteriebetriebe-

*5 nen Weckers dargestellt, in dem ein impuls- oder Wechselstrom-Permanentmagnetmotor 2 enthalten ist, dessen Rotor 3 mit einem Räderzug 4 gekuppelt ist, über den mittels einer Anordnung ineinander verlaufender Wellen 5 zwei nicht weiter dargestellte Uhrzeiger angetrieben werden. Der Motor 2 wird von einer Batterie 6 aus betrieben; erregt und synchronisiert wird er durch elektrische Schwingungen in seinen Ständerwicklungen 7 und 8, die von einem elektrischen Oszillatorstromkreis 9 geliefert werden. Diesem ist ein mechanisches Oszillatorelement 10 zugeordnet, welches ein Torsionsglied 11 aufweist, an dem zwei Permanentmagnete 12, 13 starr befestigt sind. Die Enden des Torsionsgliedes 11 sind an zwei Auflageteilen 14, 15 befestigt. Das Torsionsglied 11 kann im übrigen einen flachen Draht enthalten, der abhängig von seiner Länge zwischen den Auflageteilen 14,15 und der ihm von nicht weiter dargestellten Spanneinrichtungen erteilten Spannung mit einer bestimmten Eigenfrequenz schwingt. Die Schwingung des Torsionsdrahtes 11 hat in entsprechender Weise eine Oszillation der Magnete 12,13 zur Folge, die damit ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen. Mit den Permanentmagneten 12,13 sind zwei Spulen 16,17 induktiv gekoppelt, die elektrisch mit dem elektronischen Oszillatorkreis 9 verbunden sind.

Der mechanische Oszillator 10 mit dem Torsionsglied 11 und den Permanentmagneten 12,13 ist deutlicher in F i g. 2 perspektivisch dargestellt, wo gleiche Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher Teile wie in F i g. 1 verwendet sind. Aus F i g. 2 ist zu ersehen, daß die elektrischen Spulen 16,17 den Permanentmagneten 12, 13 unmittelbar benachbart zugeordnet sind, so daß sich eine sehr enge induktive Kopplung ergibt. Die elektrischen Anschlüsse an den elektronischen Oszillatorkreis 9 geschehen von der elektrischen Spule 16 aus mittels zwei Anschlußklemmen 18, 19, während die elektrische Spule 17 mit dem Oszillatorkreis 9 über zwei Anschlußklemmen 20, 21 verbunden ist. Der Klemmpunkt 18 ist mit einem Verzweigungspunkt 22 verbunden, an den noch eine Seite eines Kondensators 23, eine Seite eines zweiten Kondensators 24 und eine Seite eines Widerstandes 25 angeschlossen sind. Der Klemmpunkt 19 ist unmittelbar mit der Basis eines Oszillatortransistors 26 verbunden, dessen Emitter an

einen Verzweigungspunkt 27 angeschlossen ist, wahrend sein Kollektor seinerseits an einem Verzweigungspunkt 28 liegt Mit dem Verzweigungspunkt 28 sind die jeweils entgegengesetzten Seiten des an den Verzwei gungspunkt 22 angeschlossenen Widerstandes 25 sowie des Kondensators 24 zusammen mit eii^r Seite eines zweiten Widerstandes 29 verbunden. Der einseitig an dem Verzweigungspunkt 22 liegende Kondensator 23 ist auf seiner anderen Seite unmittelbar mit dem Verzweigungspunkt 27 verbunden. Der Klemmpunkt 20 der Spule 17 liegt an einem Verzweigungspunkt 30, der auch einseitig mit dem Widerstand 29 verbunden ist, welcher auf seiner anderen Seite an den Verzweigungspunkt 28 angeschlossen ist. Darüber hinaus ist der Verzweigungspunkt 30 unmittelbar mit der Basis eines Verstärkertransistors 31 verbunden, dessen Emitter an einem Verzweigungspunkt 32 liegt, während sein Kollektor mit den Ständerwicklungen 7,8 des Motors 2 verbunden ist, deren entgegengesetzte Endjn an den Verzweigungspunkt 27 angeschlossen sind. Zwischen den Verzweigungspunkten 32, 27 liegt die Batterie 6, deren positive Klemme an dem Verzweigungspunki 32 liegt. Zur Vervollständigung des Stromkreises des elektronischen Oszillators 9 liegt ein Widerstand 33 in Reihe mit einer Diode 34 zwischen dem Verzweigungspunkt 32 und der Klemme 21 der Spule 17. Die Diode 34 ist derart gepolt, daß ein Stromfluß von dem Verzweigungspunkt 32 zu dem Klemmpunkt 21 möglich ist.

Wird das System durch Einschalten der Batterie 6 m den Stromkreis unter Spannung gesetzt, so fließt Strom durch die Antriebsspule 17, wodurch eine Bewegung des Permanentmagneten 13 hervorgerufen wird. Diese Bewegung erzeugt Schwingungen in dem Torsionsdraht U, welche mit einer Eigenfrequenz aufrechterhalten werden, die durch die physikalischen Eigenschaften des Torsionsdrahtes bestimmt ist. Die Schwingungen des Torsionsdrahtes H haben zur Folge, daß sowohl in der Abnahmespule 16 wie auch in der Antriebsspule 17 elektrische Signale auftreten. Während der ersten halben Schwingungsperiode des Drahtes 11 wird in der Abnahmespule 16 an dem Klemmpunkt 19 ein positives Signal induziert Während der nächsten halben Periode wird der Klemmpunkt 19, wenn der Permanentmagnet 12 sich in der entgegengesetzten Richtung bewegt, negativ bezüglich des Klemmpunktes 18. Der Oszillatortransistor 26 ist über den Widerstand 25 mit automatischer Vorspannung versehen. Während der ersten halben Schwingungsperiode des Torsionsdrahtes 11 wird der Transistor 26 weiter in die Sättigung geführt, während er in der nächsten halben Periode v.eiter aus der Sättigung herausgebracht wird. Der den Widerstand 25 überbrückende Kondensator 24 stellt einen Weg niedriger Impedanz für hochfrequente Schwingungen dar, die wegen der Kopplung zwischen der. Spulen 16, 17 auftreten können; er verhindert damit, daß der Oszillatortransistor 26 hochfrequente Schwingungen erregt. Der Kondensator 23 bildet einen Weg niederer Impedanz für die in der Abnahmespule 16 induzierten Signale zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 26, während er gleichzeitig die Gleichspannung der Batterie 6 gegen den mechanischen Teil des Oszillators 10 abblockt

Der Widerstand 29 bildet einen Teil des Kollektorbelastungswiderstandes des Oszillatortransistors 26. Während der ersten halben Schwingungsperiode des Torsionsdrahtes 11 nimmt die Kollektorspannung, wenn der Transistor 26 in Sättigung gebracht wird, ab, wodurch die an dem Klemmpunkt 30 anstehende Spannung verringert wird. Während der nächsten halben Periode tritt die entgegengesetzte Wirkung ein; der Transistor 26 wird aus der Sättigung herausgeführt, wodurch seine Kollekton>pannung ansteigt und damit auch die am Klemmpunkt 30 anstehende Spannung zunimmt Da der Klemmpunkt 30 mit der Antriebsspule 17 an deren Klemmpunkt 20 verbunden ist, ist der Kreis selbsterregend, so daß der mechanische Oszillator 10

ίο und der Oszillatortransistor 26 zusammen einen elektromechanischen Oszillator bilden.

Die Basis des Verstärkertransistors 31 ist mit dem Verzweigungspunkl 30 verbunden. Sie liegt an Vorspannung, da die Spannung am Verzweigungspunkt 30 niedriger ist als die Spannung an dem Punkt 32. Der Emitter-Basisvorspannungsstrom durch den Verstärkungstransistor 31 wird praktisch von dem Antriebsstrom abgezogen, der von dem Oszillalortransistor 26 der Antriebsspule 17 geliefert wird. Während der ersten halben Schwingungsperiode, während der die Spannung an dem Punkt 30 abnimmt, ist der Transistor 31 mehr leitend als während der zweiten Hälfte der Periode, wenn die Spannung an dem Punkt 30 zunimmt. Demgemäß erscheinen verstärkte Stromimpulse mn einer der mechanischen Oszillationsfrequenz des Torsionsdrahtes 11 gleichen Frequenz am Kollektorausgang des Versiärkertransistors 31. Diese verstärkten Stromimpulse werden den Statorwicklungen 7, 8 des Synchronmotors 2 zugeführt, der damit im synchronise sierten Takt zum Antrieb der Uhrzeiger umläuft.

Da der Verstärkertransistor 31 und die Statorwicklungen 7, 8 des Motors 2 keinen Tei! des elektromechanischen Oszillators bilden, werden Energieverluste des Motors nicht auf den elektromagnetischen Oszillator übertragen. Damit kann der Wirkungsgrad, d. h. genauer der Gütefaktor des elektromechanischen Oszillatorteiles der Schaltung verhältnismäßig hoch gehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des ganzen Symstems als zeithaltender Mechanismus entsprechend verhältnismäßig hoch ist.

Der Stabilisierungswiderstand 33 gibt zusammen mit dem Belastungswiderstand 29 eine Amplitudenbegrenzung für die Stromimpulse in der Antriebsspule 17. Sollten die Schwingungsamplituden, veranlaßt durch eine Zunahme der Speisespannung, des Torsionsdrahtes 11 zunehmen wollen, so hat dies zur Folge, daß der Transistor 26 mehr leitend wird und damit die Spannung an dem Punkt 30 während der ersten Schwingungsperiodenhälfte senken will. Diese verringerte Spannung bewirkt, daß bei dem Transistor 31 eine erhöhte Emitter-Basisstromführung auftritt, wodurch der größte Teil des verstärkten zur Verfügung stehenden Antriebsstromes über die Antriebsspule 17 wieder abgezogen wird. Dieser Antriebsstromabzug bei dem Strom durch die Antriebsspule 17 wirkt in dem Sinne, daß der Strom durch die Antriebsspuie verhältnismäßig konstant gehalten wird, so daß die Amplitude der Schwingungen des Torsionsdrahtes U ebenfalls verhältnismäßig konstant bleibt. Da die Widerstände 33, 29 in den Strompfaden über die Antriebsspule 17 liegen, ergibt eine Veränderung ihrer Größe eine Steuerung der Schwingungsamplitude des Torsionsdrahtes 11.

Änderungen der Stromamplitude in der Antriebsspule 17 können auch dann auftreten, wenn der Basis-Emitterspannungsfall des Transistors 31 wegen Temperaturänderungen eine Veränderung erfährt. Eine Temperaturkompensation erfolgt über die Diode 34, die in dem Stromweg der Antriebsspule 17 liegt. Mit

zunehmender Temperatur nimmt der Spannungsfall über die Basis-Emitterverbindung des Transistors 31 ab, wodurch der von dem für die Spule 17 am Punkt 30 zur Verfügung stehenden Antriebsstrom abgezogene Stromwert zunimmt. Dies wirkt in dem Sinne, daß eine Abnahme der Schwingungsamplitude der Schwingungen des Torsionsdrahtes 11 sich ergibt. Diese Tendenz zur Abnahme wird durch die Diode 34 kompensiert, weil die gleiche Temperaturzunahme auch den Vorwärtsspannungsfall der Diode 34 verringert, wodurch der durch sie fließende Antriebsspulenstrom vergrößert wird. Die Diode 34 sollte deshalb aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen wie der Transistor 31, oder aber es sollten zumindest Einrichtungen vorgesehen sein, damit in dem Transistor 31 und der Diode 34 die gleichen Temperaturänderungen auftreten.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch Verwendung eines zweiten Transistors 31 sowie des Spannungs- und Tcmpcraturkompcnsationswiderstandes 33 mit der zugeordneten Diode 34 sich eine zeithaltende Schaltung wesentlich größerer Wirksamkeit crziehn läßt, als dies bei bekannten Schaltungen der Fall gewesen ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispicl zeigte eine Prüfung einer erfindungsgemäßer zcithaltendcn Schaltung eine Frequenzabweichung vor weniger als ± 0.005 % über einen Tempcraturbcreicr von 25° C bis 40,6° C und einen Spciscspannungsbe reich von 1 bis 1,6 V.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrische Uhr mit Antrieb über einen batteriegespeisten, zeithallenden Synchronmotor, dessen Drehzahl durch einen elektromechanischen Oszillator bestimmt ist, dessen mechanisches Oszillatorglied mit Hilfe eines ihm zugeordneten Anregungskreises und einer damit mit seinem Ausgang gekoppelten Transistorkreises durch elektromagnetische Mittel in Schwingung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (30) des Transistorkreises (16, 26, 29) mit einem Transistoi verstärkerkreis (31,8,7) gekoppelt ist, von dessen Ausgang die Wicklungen (8,7) des Synchronmotors (2) gespeist sind und der nut seinem Eingang (30, 32) in dem Anregungskreis (17, 20, 21, 31) liegt und daß in dem Anregungskreis ein die Stromimpulse in dem Anregungskreis begrenzender Stabilisierungswiderstand (33) enthalten ist.

2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Anregungskreis (17, 20, 21, 31) eine Temperaturkompensationsdiode (34) liegt.