DE2009612A1

DE2009612A1 - Schwingungssystem mit elektronischer Steuerung fur Uhren

Info

Publication number: DE2009612A1
Application number: DE19702009612
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl Ing 7141 Neckargroningen P Effenberger
Original assignee: UHREN FEINGERAETE FORSCH
Current assignee: UHREN FEINGERAETE FORSCH
Priority date: 1970-03-02
Filing date: 1970-03-02
Publication date: 1971-09-09
Also published as: CH301471A4; FR2081636A1; DE2009612B2; CH537039A; FR2081636B1

Description

Schwingungssystem mit elektronischer Steuerung

für Uhren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungssystem mit
elektronischer Steuerung eines elektromechanischen Antriebes, der einen permanentmagnet-dynamischen Wandler enthält für
Uhren.

Bekannt sind Schaltungen mit mindestens zwei gleichartigen oder komplementären Transistoren für Impulsbetrieb mit nur einer Spule, die meist als -monostabile oder astabile Kippschaltungen arbeiten (siehe: Deutsche Auslegeschrift
Nr. -1.166.101). Besondere Nachteile solcher Steuerschaltungen bestehen darin, daß die Antriebsimpulsdauer, die Leistungsaufnahme und damit die Amplitude und vor allem die
Schwingungsdauer stark von den Toleranzen der Bauelemente, deren Temperaturabhängigkeit, sowie auch besonders von der durch die Betriebsdauer bedingte Spannungsabnahme der Batterie abhängt. Deshalb sind derartige Schaltungen für die bei Uhren notwendige Massenfertigung nicht geeignet. Kippschwingschaltungen sind meist an ein bestimmtes Magnet-

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system gebunden. Ein Selbstanlauf des mechanischen Schwingungssy.stems ist bei bekannten Systemen mit Hilfe von astabilen Kippschaltungen möglich. Da die Impulsfolgefrequenz im allgemeinen von der Batteriespannung abhängt, ist in dem geforderten Betriebsspannungsbereich zwischen 1,7V und 1,0 V ein sicherer Selbstanlauf nicht gewährleistet. Ein weiteres bekanntes System (siehe: Kießling, Melhus: Antriebschaltung für elektromagnetisch gekoppelte, mechanische Schwingersysteme; Frequenz 21; 1967, Heft 6, Deutsche Offenlegungsschrift 1 548 062) arbeitet mit einer Rückkopplungsschaltung mit zwei Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps bei dem jedoch auch im stationären Betrieb eine Dauer leistung aufgenommen wird, was bei Impulsbetrieb, beispielsweise bei Unruhsystemen wegen der dadurch bedingten nutzlosen und zu hohen Leistungsaufnahme praktisch unbrauchbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung in Verbindung mit einem mechanischen Schwingungssystem und einem permanentmagnet-dynamischen Wandler mit nur einer Spule zu schaffen, bei der alle oben aufgeführten Nachteile beseitigt werden.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer Anordnung der oben genannten Art darin, daß eine Spule vorhanden ist, die gleichzeitig als Antrieb dient und an ein einen negativen Widerstand aufweisendes Netzwerk angeschlossen ist, das als Funktion der in der Spule induzierten Spannung in energiesparendem Impulsbetrieb steuerbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung fcann das werk mit negativem Widerstand zwei komplementäre Transistoren enthalten, die so geschaltet sind,, daS die Basis des «resten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbünden ist, die Basis des zweiten Transistors direkt öder über einen ohmschen Widerstand oder eine Diode oder die Reihen schaltung mehrerer Dioden mit dem Kollektor #es ersteh Transistors verbünden ist*

Das einfachste Ausföhrüngsbeispiel ergibt «ii^e Steuersciialt'ong £ör impttlsbetrieb mit ihinimalem Aufwand « Sie enthält izwei komplementäre Transistoren- and einen Widerstand oder eine öder menrere in Sieine geschälte te Moden* Bemerkenswert ist* da& diese Sdhaltiiftg onfte K^ndensa%iäf b ben werden kann. Eine Kapazität zur ftnterd Rückkopplängsschwingüiagen ist hier bei impülsbetrieb nüöftt %r forderlich, da äex aktive Bereich,in dem die bedingung erfüllt ist, schnell durchlaufen \*i

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann düttlh ei* ne Regelungsschaltung mit Hilfe eines nichtlinearen Elfemehtefl bzw. eines weiteren Transistors eine Stabilisierung der Amplitude des mechanischen Schwingers bei Batteriespanhüngsänderungen erzielt werden,. .

Eine besondere vorteilhafte Anordnung wird durch die verwendung der Parallelschaltung einer Kapazität und eines ohmschen Widerstandes in. Verbindung mit einem nichtlinearen Element erreicht, so daß der bei Selbstanlauf durch selbsterregung

notwendige Dauerstrom durch die Spule im eingeschwungenen Zustand bis auf einen, selbst bei Armbanduhren vernachlässigbaren Rest, verschwindet.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprächeη in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestelltan Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Ausführung für energiesparenden Impulsbetrieb mit Selbstanlauf,

Fig. 2: ein ÄusfÜhrungsbeispiel mit Amplitudenstabilisierung,

Fig. 3: Strom durch die Spule beim Anschwingen und im stationären energiesparenden Impulsbetrieb.

Bei dem¹ in Figur 1 gezeigten Aüsftihrungsbeispiel ist das fe den negativen Widerstand darstellende Netzwerk wie folgt geschaltet: Die Basis des Silizium-Transistors (2) ist mit dem Kollektor dee Siliziüm-Traneistörs (3), der Kollektor des tfraneietorif (2) ober einen ohmöchen Widerstand (4) ittit dter Basis d«ar Transistors (3) verbunden, der Emitter des Traneiators (2}_t der am Minuspol der Batterie liegt, isft Übör einen Widferitand (6) mit der Bäffie de» tt&näiätorä (i) verbörtden. Zwischen dem Emitter des Trane ist or ar (3) und dem Pluspol der Batterie liegt ein Spannungeteiler,bestehend

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aus den. Widerständen (5) und (7).» Vom Abgriff dieses Spannungsteilers führt eine Si-Diode (8) mit der Kathode zum Kollektor des Transistors (2). Parallel zum Widerstand (7) liegt eine Kapazität- (9). Die Spule (1) des permanentmagnetdynamischen Energiewandlers des Unruhsystems (11) liegt zwischen dem Kollektor des Transistors¹ (2) und dem Pluspol der Batterie (10).

Bei dem in Figur 2 dargestellten Beispiel liegt der Emitter des npn-Silizium-Transistors (2) am Minuspol der Batterie (10). Die Basis des Transistors (2) ist direkt mit dem Kollektor des pnp-Silizium-Transistors (3) verbunden. Der Emitter des Transistors (3) führt über einen Widerstand (5) zum Pluspol der Batterie. Zwischen der Basis des Transistors (3) und dem Kollektor des Transistors (2) liegt der Widerstand sehen dem

untT~cJemPlüspol der

Batterie liegt ein Spannungsteiler, der aus der Reihenschal- ^: tung der Widerstände (21) und (22) besteht. Der Abgriff des ^; *■ Spannungsteilers ist mit der Basis des pnp-Transistors (20) -~^; verbunden. Der Emitter des Transistors (20) liegt-am Plus-·

pol der Batterie (10). Der Kollektor des Transistors (20) liegt an der Basis des Transistors (3), Die Spule (I) ist-mit dem Kollektor des Transistors (2) und dem Pluspol der Batterie (10) verbunden.

Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel hat folgende Wirkungsweise:

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An den beiden Klemmen der Schaltung in Fig. 1, an die die Spule (1) angeschlossen ist, tritt ein spannungsgesteuerter negativer Widerstand auf. Dieser negative Widerstand wird mit Hilfe einer zweistufigen rückgekoppelten Verstärkerschaltung mit zwei komplementären, in Emitterschaltung betriebenen Transistoren erzielt. Der elektromechanische Wandler besteht hier aus der feststehenden Spule (1) und den beiden auf der Unruh (11) sich befindenden Permanentmagneten (12), deren Magnetfeld die Spule (1) so durchsetzt, daß bei einer Drehung der Unruh (11) in der Umgebung der in Fig. 1 dargestellten Nullage in der Spule (1) eine Spannung induziert wird.

Dieses mechanische Schwingungssystem in Verbindung mit dem elektromechanischen Wandler stellt bei genügend kleinen Amplituden näherungsweise einen Parallelschwingungskreis dar, der zwischen dem Kollektor des Transistors (2) und dem Pluspol der Batterie (10) liegt.

Durch den Widerstand der Spule (1) sowie durch die Wahl der Widerstände (4), (5), (6) und (7) wird der Arbeitspunkt auf der Kennlinie des negativen Widerstandes festgelegt. Die Kennlinie und der Arbeitspunkt sind so gewählt worden, daß im Ruhezustand des mechanischen Schwingers beide Transistoren im aktiven Bereich arbeiten, so daß der in Fig. 3 dargestellte Daueretrom i die Spule durchfließt.

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Damit kann die Bedingung für Selbsterregung erfüllt werden. Das bedeutet, daß das mechanische Schwingsystem, hier die Unruh, selbst anläuft.

Fig. 3 zeigt den Stromfluß durch die Spule während des Einschwingvorgangs. Nachdem die'Amplitude des mechanischen Schwingungssystems einen genügend hohen Wert erreicht hat, beginnt die Diode (8) stets dann zu leiten, wenn die Summe aus der induzierten Spannung und dem Spannungsabfall am Widerstand der Spule (1) einen bestimmten Wert erreicht hat*

Dadurch wird die Kapazität (9) während der Stromimpuledauer soweit aufgeladen, daß nach dem Absinken der indii~ zierten Spannung in der Spule (1} die Basis-EitvitterspaR-nung des Transistors (3) ausreichend; klein lat, so daß während der Impulspause die Transietoren (2) unä |3) aperreri* ₌;„, In dieser Impulspause entlädt sich eier Köaenmt&£ (§> iiser: den Widerstand £7} teilweise, Ms die in den §put& inauzi&is** te Spannung so weit angestiegen ist, <£ä& eier "S^äüSiäM&t' (ff _e und damit auch der Vr&mi&töt: i2}, iirtWff" *'fetiv«fir Mm<$i@U gesteuert wird«-. :-.-—-'"" ~" ""; - -

Die sich auf diese Weise ergebenden Antriebsstromimpüise

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Bei dieser Schaltung wird die Spannung an der Spule (1) stabilisiert. Die Spannungsstabilisierung und damit die Stabilisierung der Amplitude des mechanischen Schwingers bei Änderungen der Batteriespannung erfolgt durch Proportionalregelung, die mit Hilfe des zusätzlichen Transistors (20) und des Spannungsteilers, bestehend aus den Widerständen (21) und (22), erreicht wird.

Diese neuen elektronischen Steuerschaltungen in Verbindung mit einem Schwingungssystem mit permanentmagnet-dynamischem Energiewandler sind besonders deshalb vorteilhaft und von großer Bedeutung, weil bei der Verwendung von nur einer Spule der für Unruhsysteme erforderliche energiesparende Impulsbetrieb insbesondere für Armbanduhren mit geringer Leistungsaufnahme von nur«10 pW ermöglicht werden konnte.

Diese Schaltung (Fig.l) bietet gegenüber anderen Schaltungen mit nur einer Spule den Vorteil, daß die Spule hier aus relativ dickem Draht hergestellt werden kann, der billiger ist, sich besser verarbeiten läßt und einen höheren Kuperfüll- faktor ergibt. Bei der Verwendung dünnen Drahtes dagegen genügen hier weniger Windungen, so daß die Spule eine geringe Wickelhöhe annehmen kann. Dies ist vor allem bei Arm banduhren wichtig, wo eine möglichst flache Bauweise erforderlich ist.

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Für die bei Uhren notwendige Mengenfertigung ist die Schaltung sehr gut geeignet, da die Punktionsfähigkeit auch bei größeren Toleranzen der Bauelemente sowie bei Temperatur-* und Batteriespannungsänderungen erhalten bleibt.

Besonders vorteilhaft ist der Selbstanlauf durch Selbsterregung sowie vor allem die erreichbare kurze Einschwingzeit. Selbstanlauf und kurze Einschwingzeit sind bei Arm- - ' banduhren wichtig, da diese beim Tragen starken Drehstößen ™

und damit Änderungen der Amplitude und der Schwingungsdauer ausgesetzt sind. Im Gegensatz zu anderen Schaltungen ist hier ein sicherer Selbstanlauf in einem großen Batteriespannungsbereich zwischen mindestens 1,7 Volt und 1,0 Volt möglich.

Ebenso ist der Selbstanlauf weitgehend unabhängig von den Toleranzen der Bauelemente und von TemperaturSchwankungen gegeben.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Schaltung besteht darin,.daß sie an kein bestimmtes Magnetsystem gebunden ist. Werden Mehrfachmagnetsysteme verwendet, so besteht bei die- * ser Steuerschaltung mit nur einer Spule die Möglichkeit, entweder alle induzierten Spannungsimpulse gleicher Polarität zur Steuerung und zu gleichzeitigem Antrieb zu benutzen oder unerwünschte Nebenimpulse zu unterdrücken, wodurch ein höherer elektromechanischer Wirkungsgrad erreicht werden kann.

Durch die Möglichkeit eines weiteren Ausbaus der Schaltung kann eine Stabilisierung der Amplitude des mechanischen

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Systeme bei Änderung der Batteriespannung durch Spannungsregelung an der Spule erzielt werden, was besonders bei den Werken bedeutungsvoll ist, die z.B. mit Zinkchloridzellen betrieben werden.

Zusammenfassend ergibt sich, daB bei diesem System folgende wichtige uhrentechnische Forderungen mit einer Schaltung gleichzeitig verwirklicht werden konnten:

™ geringe Leistungsaufnahme (»IOjuW); Verwendung nur einer Spule;

Möglichkeit der Verwendung eines einfachen Magnetsystems,· geringer Aufwand an Bauelementen, die weitgehend in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt werden können; Amplitudenstabilisierung, und damit Konstanz der Schwingungsdauer bei Batteriespannungs- und Temperaturanderungen; Selbstanlauf.

Damit wurde eine für Großserienfertigung geeignete wirt-™ schaftliche Lösung für eine moderne elektronisch gesteuerte Gebrauchsuhr (Groß- und Kleinuhr) gefunden.

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Claims

-Ll- Patentansprüche

1. J Schwingungssystem mit einer elektronischen Steuerung eines elektromechnischen Antriebes für Uhren, der einen permanentmagnet-dynamischen Wandler enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule vorhanden ist, die gleichzeitig als Antrieb dient und an ein einen negativen Widerstand aufweisendes Netzwerk angeschlossen ist, das als Funktion der in der Spule induzierten Spannung bei eingeschwungenem Zustand in energiesparendem Impulsbetrieb steuerbar ist.

2. Schwingungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das einen negativen Widerstand aufweisende Netzwerk zwei komplementäre Silizium-Transistoren enthält, die so geschaltet sind, daß die Basis des Transistors (3) mit dem Kollektor des Transistors (2) Über einen ohmschen Widerstand, eine oder mehrere in Reihe geschaltete Silizium-Dioden (Kathode zur Basis) oder direkt mit dem Kollektor des Transistors (2) verbunden ist.

3. Schwingungssystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß in der Emitterleitung des Transistors (3) ein ohmscher Widerstand (5) oder ein(?oder mehrere Si-Dioden (in Durchlaßrichtung) liegen.

10 953,7/0 9 03._v ,..

4. Schwingungssystem nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Emitter des Transistors (3) und dem Anschluß der Spule (1), der mit einem Pol der Batterie (10) verbunden ist, ein ohmscher Widerstand (7) oder ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen (5) und (7) liegt, dessen Mittelabgriff über ein nichtlineares Element (eine oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden oder VDR) mit dem Kollektor des Transistors (2) verbunden ist, so daß die dadurch erreichte Rückkopplung eine Stabilisierung der Spannung an der Spule sowie eine Stabilisierung der Amplitude des mechanischen Schwingers bei Batteriespannungsänderungen bewirkt.

5. Schwingungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (3) über einen Widerstand (6) mit dem Emitter oder der Basis des Transistors (2) verbunden ist.

6. Schwingungssystem nach einem oder mehreren·der Ansprüche

1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand (7) ein Kodensator (9) geschaltet ist, der sich über das nichtlineare Element (8) während des Antriebsimpulses weiter auflädt, so daß der während des Selbstanlaufvorgangs fließende Dauerstrom in der Spule (1) im eingeschwungenen Zustand bis auf einen selbst bei Armbanduhren vernachlässigbaren Rest verschwindet.

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7« Schwingungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit dem Kollektor des Transistors (2) verbunden ist und das andere Ende bei Verwendung eines npn-bzw» pnp-Typs für.Transistor (2) mit dem Pluspol bzw. dem Minuspol der Batterie verbunden ist. ■-■-'.-."

8. Schwingungssystem nach einem oder mehreren der Anspruch· 1 bis m 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitspunkte der beiden Transistoren mit Hilfe der Widerstände (4), (6) und (7) oder entsprechender Dioden so gewählt sind, daß beide Transistoren nur bei Stillstand des mechanischen Schwingers und teilweise beim Einschwingvorgang dauernd im aktiven Be-. reich arbeiten, so daß Selbstanlauf durch Selbsterregung gegeben ist. ^ ■-·.?.

9. Schwingungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der M Amplitude bei Batteriespannungsanderungen ein weiterer Transistor (20), der vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie Transistor (3) ist, verwendet wird, der so geschaltet ist, daß sein Kollektor an der Basis des Transistors (3) liegt, der Emitter mit dem Spulenende das zu einem Pol der Batterie (10) führt, verbunden ist und die Basis am Mittelabgriff eines aus den beiden Widerständen (21) und (22) bestehenden Spannungsteilers liegt, der parallel zur Spule (1) geschaltet ist.

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