DE2009612B2

DE2009612B2 - Schwingungssystem mit elektronischer steuerung fuer uhren

Info

Publication number: DE2009612B2
Application number: DE19702009612
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Ing. 7141 Neckargröningen Effenberger
Original assignee: Forschungsgesellschaft für Uhren- und Feingeräte-Technik, 7000 Stuttgart
Priority date: 1970-03-02
Filing date: 1970-03-02
Publication date: 1972-06-29
Also published as: DE2009612A1; CH301471A4; FR2081636A1; FR2081636B1; CH537039A

Description

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 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 Magnetsystem gebunden. Ein Selbstanlauf des mechanischen Schwingungssystems 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 1,7 V und 1,0 V ein sicherer Selbstanlauf nicht gewährleistet.

Ein weiteres bekanntes System (siehe: Kießling, MeIhus: 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 Dauerleistung aufgenommen wird, was bei Impulsbetrieb, beispielsweise bei Unruhsystemen wegen der dadurch bedingten nutzlosen und zu hohen Leistungsaufnahme praktisch unbrauchbar ist. •_t 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 Losung der Aufgabe besteht bei einer Anord-

nung der oben genannten Art mit nur einer Spule, wobei die Spule an ein Netzwerk mit negativem Widerstand angeschlossen ist, darin, daß das Netzwerk einen negativen Widerstand mit einer in Abhängigkeit von der Amplitude des Schwingers veränderbaren Strom-Spannungskennlinie enthält.

Dadurch wird erreicht, daß einerseits ein Selbstanlauf des Schwingungssystems durch einen überlagerten Dauerstrom möglich ist, andererseits bei zuneh-Armbanduhren wichtig, wo eine möglichst flache Bauweise erforderlich ist.

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

Besonders vorteilhaft ist der Selbstanlauf durch Selbsterregung sowie vor allem die erreichbar kurze

mender Amplitude des Schwingungssystems und io Einschwingzeit· Selbstanlauf und kurze Einschwingdit hd idi S it id bi Abdh ht d dese oeirn

damit zunehmender induzierter Spannung eine Verschiebung der Strom-Spannungskennlinie u.a. mit Hilfe einer Kapazität als Energiespeicher erfolgt, wobei der Dauerstrom abnimmt, so daß außer Selbstanlauf auch eine Stabilisierung der Amplitude und gleichzeitig ein energiesparender Impulsbetrieb im eingeschwungenen Zustand erzielt wird.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Netzwerk mit negativem Widerstand zwei komzeit sind bei Armbanduhren 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 Tempe-

plementäre Transistoren enthalten, die so geschaltet ²⁰ raturschwankungen gegeben.

sind, daß die Basis des ersten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, die Basis des zweiten Transistors direkt oder über einen ohmschen Widerstand oder eine Diode oder die Reihenschaltung mehrerer Dioden mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist.

Das einfachste Ausführungsbeispiel ergibt eine Steuerschaltung für Impulsbetrieb mit minimalem Aufwand an Bauelementen. Sie enthält zwei komplemen-Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Schaltung besteht darin, daß sie an kein bestimmtes Magnetsystem gebunden ist. Werden Melirfachmagnetsysterne verwendet, so besteht bei dieser 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 Wirkungs-

täre Transistoren und einen ohmschen Widerstand 30 grad erreicht werden kann.

oder eine oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden. ^{Durch die} Möglichkeit eines weiteren Ausbaus der

Schaltung kann eine Stabilisierung der Amplitude des mechanischen Systems bei Änderung der Batteriespannung durch Spannungsregelung an der Spule er-

Bemerkenswert ist, daß diese Schaltung ohne Kondensator betrieben werden kann. Eine Kapazität zur Unterdrückung hochfrequenter Rückkopplungsschwin- . _ . - , gungen ist hier bei Impulsbetrieb nicht erforderlich, 35 zielt werden, was besonders bei den Werken bedeuda der aktive Bereich, in dem die Selbsterregungsbe- tungsvoll ist, die z.B. mit Zinkchlondzellen betneben

werden.

Zusammenfassend

dingung erfüllt ist, schnell durchlaufen wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann durch eine Regelungsschaltung mit Hilfe eines ergibt sich, daß bei diesem System folgende wichtige uhrentechnische Forderun-

nichtlinearen Elementes bzw. eines°weiteren Transi- ⁴⁰ gen mit einer Schaltung gleichzeitig verwirklicht werstors eine Stabilisierung der Amplitude des mechani- den konnten:

sehen Schwingers bei Batteriespannungsänderungen geringe Leistungsaufnahme («= 10 μW);

erzielt werden. Verwendung nur einer Spule;

Eine besonders vorteilhafte Anordnung wird durch Möglichkeit der Verwendung eines einfachen Ma

die Verwendung der Parallelschaltung einer Kapazität 45 gnetsystems; 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 geringer Aufwand an Bauelementen, die weitgehend in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt werden können;

Amplitudenstabilisierung, und damit Konstanz der

bis auf einen, selbst bei Armbanduhren"vernachlässig- 50 Schwingungsdauer bei Batteriespannungs- und Tempebaren Rest, verschwindet. raturänderungen;

Diese neuen elektronischen Steuerschaltungen in Selbstanlauf.

Verbindung mit einem Schwingungssystem mit per- Damit wurde eine für Großserienfertigung geeig-

manentmagnet-dynamischem Encrgiewandler sind be- nete wirtschaftliche Lösung für eine moderne elektronisch gesteuerte Gebrauchsuhr (Groß- und Kleinuhr)

sonders 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 /(W ermöglicht werden konnte.

Diese Schaltung (Fig. 1) 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 Kuperfiillfaktor 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

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gefunden.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführung für energiesparenden Impulsbetrieb mit Selbstanlauf,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel mit Amplitudenstabilisierung,
⁶' Fig. 3 Strom durch die Spule beim Anschwingen

und im stationären energiesparenden Impulsbetrieb. • . Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das den negativen Widerstand darstellende Netz-

werk wie folgt geschaltet: Die Basis des Silizium-Transistors 2 ist mit dem Kollektor des Silizium-Transistors 3, der Kollektor des Transistors 2 über einen ohmschen Widerstand 4 mit der Basis des Transistors 3 verbunden, der Emitter des Transistors 2, der s am Minuspol der Batterie liegt, ist über einen Widerstand 6 mit der Basis des Transistors 3 verbunden. Zwischen dem Emitter des Transistors 3 und dem Pluspol der Batterie liegt ein Spannungsteiler, bestehend 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 permamentmagnet-dynamischen Energiewaudlers des Unruhsystems 11 liegt zwischen dem Kollek- υ tor des Transistors 2 und dem Pluspol der Batterie 10. ·

Bei dem in Fig. 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 4. Zwischen dem Kollektor des Transistors 2 und dem Pluspol der Batterie liegt ein Spannungsteiler, der aus der Reihenschaltung 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 Pluspol der Batterie 10. Der Ό Kollektor des Transistors 20 liegt an der Basis des Transistors 3. Die Spule 1 ist mit dem Kollektor des Transistors 2 und dem Pluspol der Batterie 10 verbunden.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel hat « folgende Wirkungsweise:

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 I 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 Dauerstrom i die Spule durchfließt.

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

F i g. 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 Stromimpulsdauer soweit aufgeladen, daß nach dem Absinken der induzierten Spannung in der Spule 1 die Basis-Emitterspannung des Transistors 3 ausreichend klein ist, so daß während der Impulspause die Transistoren 2 und 3 sperren. In dieser Impulspause entlädt sich der Kondensator 9 über den Widerstand 7 teilweise, bis die in der Spule induzierte Spannung so weit angestiegen ist, daß der Transistor 3, und damit auch der Transistor 2, in den aktiven Bereich gesteuert wird.

Die sich auf diese Weise ergebenden Antriebsstromimpulse sind in der Fig. 3 (für den eingeschwungenen Zustand) dargestellt

Wirkungsweise des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels:

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 EBlfe des zusätzlichen Transistors 20 und des Spannungsteilers, bestehend aus den Widerständen 21 und 22, erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwingungssystem mit einer elektronischen Steuerung eines elektromechanischen Antriebes für Uhren, der einen permanent-magnetdynamischen ' Wandler mit nur einer Spule enthält, die als Antriebs- und Steuerspule dient, wobei die Spule an ein Netzwerk mit negativem Widerstand angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk einen negativen Widerstand mit einer in Abhängigkeit von der Amplitude des Schwingers veränderbaren Strom-Spannungskennlinie enthält.

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 eine oder mehrere Si-Dioden (in Durchlaßrichtung) liegen.

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 da- ^l durch 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 pach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand (7) ein Kondensator (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.

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 Ansprüche 1 bis 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 Bereich 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 Amplitude bei Batteriespannungsänderungen 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.