DE2031671B2 - Schaltungsanordnung fuer einen transistorschaltverstaerker insbesondere fuer den antrieb zeithaltender geraete - Google Patents

Description

Die Erfindung bczichL sich auf cine Schaltungsanordnung für einen Transistorsehaltverstürkcr, insbesondere für den Antrieb zeithaltende!· Geräte.

Es ist bekannt, für den Antrieb eines zeithaltenden Gerätes, insbesondere einer Uhr, einen elektronischen Verstärker, insbesondere Transistorschaliverstärker, ■-zu-verwenden, der eingangsse-itig ein Steuerelement, insbesondere eine Stcuerwicklung, und ausgangsseitig eine Antriebswicklung aufweist und der durch eine Relativbewegung zwischen der Steuer- und Antriebswicklung einerseits und einem vorzugsweise auf dem anzutreibenden System vorgesehenen Permanentmagneten andererseits in Selbststeuerung Antriebsimpulse für ein anzutreibendes, mechanisch schwingendes oder rotierendes System liefert. Als Spannungsquelle dient in der Regel eine Trockenbatterie im Stromkreis von Antriebswicklung und Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors.

Um eine derartige Schaltungsanordnung den Anforderungen eines Antriebselementes für zeithaltende Geräte anzupassen, muß diese gewisse Bedingungen erfüllen. So ist es notwendig, die Schaltungsanordnung so auszubilden, daß insbesondere die durch das Absinken der Betriebsspannung der Spannungsquelle, insbesondere der Trockenbatterie, den auftretenden Belastungsänderungen und Temperaturschwankungen des Systems hervorgerufenen Zeitfehler auf ein Minimum reduziert bzw. ausgeschaltet werden. Auch soll das mechanisch schwingende oder rotierende System möglichst selbstanlaufend und gegenüber in gewissen Grenzen auftretenden mechanischen Stoßen unempfindlich sein. Eine weitere Forderung besteht darin, daß die Schaltungsanordnung in ihrem elektronischen Teil als sogenannter integrierter Baustein mit vier Leituiigsanschlüssen herstellbar sein soll.

Bei einer bekannten, die obengenannten Bedingungen zum Teil erfüllenden Schaltungsanordnung wird vorgeschlagen, zwischen dem steuerseitigen Pol einer Steuerwicklung und der Basis des Schalttransistors einen Kondensator einzufügen, dessen mit der Basis des Transistors verbundener Belag über einen Ladewiderstand mit dem auch mit dem Kollektor des Transistors verbundenen Pol der Spannungsquelle verbunden ist und parallel zu dem genannten Kondensator einen steuerbaren Widerstand, insbesondere in Form der Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten sogenannten Regeltransistors einzuschalten, dessen Basis mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

Bei richtiger Dimensionierung und Polung der einzelnen Schaltungselemente ergibt diese Schaltung ein Selbtsanlaufen des mechanischen Systems, ferner Antriebsimpulse, die sich dem Kraftbedarf des mechanischen Systems zur Konstanthaltung einer gewissen Schwingungsamplitude oder einer gewissen Drehgeschwindigkeit anpassen, wobei auch bis zu einem gewissen Grad Temperatureinflüsse und Spannungsänderungen der Spannungsquelle kompensiert werden. Ein großer Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht aber darin, daß der als integrierter Baustein herstellbare elektronische Teil der Schaltungsanordnung fünf Leitungsanschlüsse benötigt, was ihn für diese Herstellungsart als elektronischen Baustein ungeeignet macht.

Es ist zwar möglich und auch bereits vorgeschlagen worden, die Basis des zweiten Regeliransistors mit dem Emitter des ersten Schalttransistors zu verbinden, wodurch der als inteurierter Baustein herstellbare Teil der Schaltung nur vier Lcitungsanschlüsse benötigt, dies hat aber den Nachteil, daß die den zweiten Regeltransistor steuernde, von der Steuerspule abgenommene Regelspannung, die während der Sperrphase des ersten Schalttransistors wirksam ist, in der um 1SO^C phasenvcrschobcncn Arbeitsphase des Schalttransistors in gleicher Höhe an der Basis dieses Schalttransistors vorhanden ist, wodurch die Gefahr besteht, daß die vorgesehene Regeleinrichtung iinwirksam wird und der Schaltverstärker mit einer gleichbleibenden großen Amplitude durchgesteuert wird.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist zwar schon vorgeschlagen worden, in die Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor des Regeltransistors und der Basis des Schalttransistors eine ebenfalls von dem Magnetsystem des mechanischen Systems beaufschlagte Regelwicklung vorzusehen, doch ist diese Schaltung relativ aufwendig und gestattet es nicht, den als integrierten Baustein herstellbaren Teil der Schaltungsanordnung mit nur vier Leitungsanschlüssen herzustellen.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile der genannten Schaltungsanordnungen. Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung für einen Transistorschaltverstärker, insbesondere für den Antrieb zeithaltender Geräte vorgeschlagen, bei welcher im Arbeitskreis eines Schalttransistors eine Antriebswieklung und eine Gleichspannungsquelle (Trocken-batterie) und im Steuerkreis dieses Schalttransistors eine Steuerwicklung vorgesehen sind und bei welcher die in dem Arbeitskreis erzeugten Schaltimpulse zum Antrieb eines mechanisch schwingenden oder rotierenden Systems dienen und durch die Bewegung dieses Systems den Schalttransistor steuernde Steuerimpulse erzeugt werden, bei der ferner in Reihe zu der Steuerwicklung im Basis-Emitter-Kreis des Schalttransistors ein Kondensator und zwischen der Basis und dem mit dem Kollektor des Schalttransistors verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle ein Ladewiderstand vorgesehen ist und parallel zu dem genannten Kondensator die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Regeltransistors geschaltet ist, an dessen Basis eine gegenüber der Steuerspannung am Schalttransistor um 180° phasenverschobene Regelspannung wirksam ist mit dem Kennzeichen, daß der von der Steuerwicklung des Schalttransistors abgeleiteten an der Basis des Regeltransistors wirksamen Regelspannung eine von der Speisespannung der Schaltungsanordnung abgeleitete, weitere Regelspannung gleichsinnig zu der ersten Regelspannung überlagert ist.

Zur Erzeugung dieser zusätzlichen von der Spannungsquelle der Schaltungsanordnung herführenden Regelsteuerspannung an dem Regeltransistor wird in zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, einen Spannungsteiler vorzusehen, der zwischen dem Anschlußpunkt zu dem Emitter des Schalttransistors und dessen Steuerwicklung einerseits und dem kollektorseitigen. Pol der Spannungsquelle andererseits liegt und dessen Abgriff mit der Basis des zweiten Regeltransistors verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer derartigen Schaltungsanordnung wird einerseits der Vorteil erreicht, daß der elektronische Teil desselben als integrierter Baustein mit nur vier Leitungsanschlüssen herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil der

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Schaltungsanordnung besteht darin, daß diese eine höhere Regelsicherheit aufweist, d. h. eine größere Unempfindlichkeit gegenüber starken Änderungen in der Belastung des mechanischen mit der Verstärkeranordnung anzutreibenden Systems und eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen in der Speisespannung bzw. gegenüber Temperatureinflüssen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele, die in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind.

Die F i g. 1 und 2 zeigen lediglich die nach der Erfindung vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen. Das durch diese Anordnung in eine schwingende oder rotierende Bewegung zu versetzende, mechanische System ist in den Figuren nicht dargestellt. Dieses System kann beispielsweise aus einem Stimmgabel- oder Blattfederschwinger bestehen, bei dem wenigstens einer der schwingenden Arme mit einem Permanentmagneten versehen ist, der in eine ortsfeste Spulenanordnung eintaucht, wobei diese Spulenanordnung aus der Antriebswicklung Aw und einer dazu gleichsinnig gewickelten Steuerwicklung Sw bestehen kann. Selbstverständlich können auch die Wicklungen Aw bzw. Sw auf dem Schwinger und der Permanentmagnet ortsfest vorgesehen sein, oder es können Arbeits- und Steuerwicldung mit verschiedenen Permanentmagneten zusammenwirken.

In den Figuren stellt B eine Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Trockenbatterie dar, deren Spannung bekanntlich von einem anfänglichen Wert von 1,7 Volt mit zunehmender Entladung bis auf etwa 1,1 Volt bei völliger Entladung absinkt.

Die nicht als Teile eines integrierten Bausteins herstellbaren Schaltungselemente der Anordnung sind der Ladekondensator C₁, die Steuer- und Arbeitswicklung Sw, Aw und der Kondensator C₂. Der Kondensator C₂ dient zur Unterdrückung einer sich selbst erregenden hochfrequenten Schwingung. Er kann gegebenenfalls auch durch andere geeignete Schaltungsmaßnahmen ersetzt werden.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Schaltungen weisen sogenannte n-p-n-Transistoren T₁ und T₂ auf, die jedoch bei umgekehrter Polarität der Spannungsquelle auch durch p-n-p-Transistoren ersetzt werden können.

Den Arbeitsstromkreis des Schaltverstärkers bilden die Batterie B, die dazu in Reihe liegende Antriebswicklung Aw mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T₁. Den Steuerkreis des Schaltverstärkers bilden in Reihe liegend die Steuerwicklung Sw, ein Kondensator C₁ und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₁. Der mit der Basis des Transistors T₁ verbundene Belag des Kondensators C₁ ist ferner über einen ohmschen Widerstand ^₁ mit dem kollektorseitigen Pol d der Spannungsquelle B verbunden.

Zur Erzielung einer Regelwirkung bei dem im vorausgehenden beschriebenen Schaltungsverstärker dient ein zweiter Transistor T₂, dessen Kollektor mit dem Punkt α und dessen Emitter mit dem Punkt b der Schaltung verbunden ist. Zwischen den Punkten d und e der Schaltung liegt ein Spannungsteiler R₂, R_s, dessen Mittelabgriff c zu der Basis der Regeltransi- fs stors T₂ führt.

Die Schaltung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der nach F i g. 1 nur dadurch, daß bei der Schaltung nach F i g. 2 zwischen dem Punkt d und der entsprechenden Zuleitung zu dem Widerstand R₂ des Spannungsteilers noch eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode D geschaltet ist.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist im Prinzip bekannt. Wird durch den Schalter S der Arbeitsstromkreis des Transistors T₁ geschlossen, so lädt sich über den Widerstand R₁ der Kondensator C₁ auf. Die Basis des Transistors T₁ erhält dadurch gegenüber dem Emitter ein so positives Potential, daß der Transistor T₁ durchgeschaltet wird und in der Arbeitswicklung Aw ein Ruhestrom fließt. Schon sehr kleine Bewegungen des Magnetsystems erzeugen in der Steuerwicklung Sw Steuerimpulse, die über den Kondensator C₁ auf die Basis des Transistors T₁ einwirken und sich der an der Basis des Transistors T₁ herrschenden positiven Gleichspannung überlagern. Im Rhythmus dieser Steuerwechselspannung wird daher in der Arbeitswicklung des Transistors T₁ eine Stromschwankung erzeugt, durch welche phasenrichtig Antriebsimpulse auf das schwingende oder rotierende System gegeben werden. Diese rufen verstärkt Steuerimpulse in der Steuerwicklung Sw hervor usf. Die Schaltung bewirkt somit ein Selbstanlaufen des mechanischen Systems.

Mit zunehmender Amplitude der in der Steuerspule Sw erzeugten Wechselspannung tritt eine Regelwirkung auf. Während der Sperrphase des Transistors T₁ wird an der Basis des Transistors T₂ eine Steuerspannung wirksam, deren Wechselstromkomponente in der Steuerspule Sw erzeugt wird. Durch diese Steuerspannung wird der Transistor T₂ leitend und im entsprechenden Maß der Kondensator C₁ entladen. Dies hat in der darauffolgenden Arbeitsphase des Transistors T₁ eine verringerte Steuerspannung an dessen Basis zur Folge. Bei geeigneter Bemessung der einzelnen Schaltungselemente, insbesondere des Kondensators C₁, des Widerstandes A₁, der Widerstände R₂, R_ä und der Steuerwicklung Sw, tritt somit bei einer bestimmten Größe der in der Steuerwicklung Sw erzeugten EMK ein Gleichgewichtszustand ein, der dadurch charakterisiert ist, daß in aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen des Transistors T₁ der Basis dieses Transistors eine gleichbleibende aus einem durch R₁ hervorgerufenen Gleichstromanteil und einem durch Sw hervorgerufenen Wechselstromanteil zusammengesetzte Steuerspannung zugeführt wird, was bedeutet, daß die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen durch R₁ hervorgerufene zusätzliche Aufladung des Kondensators C₁ gerade durch den mehr oder weniger leitend gemachten Transistor T₂ wieder rückgängig gemacht wird.

Überschreitet die in der Steuerwicklung Sw erzeugte EMK einen gewissen Wert, so tritt durch T₂ eine umgekehrte Regelwirkung ein. Die erhöhte Durchsteuerung von T₂ bewirkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen des Transistors T₁ eine stärkere Entladung des Kondensators C₁, als Strom durch R₁ nachgeliefert werden kann. Der TranSiStOrT₁ erhält somit eine verminderte Steuerspannung, so daß sich nach wenigen Antriebsperioden „wieder der bisherige Gleichgewichtszustand einstellt.

Neuartig ist bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung, daß zwischen den Punkten d und e der Schaltung ein Spannungsteiler R₂, R₃ vorgesehen ist, dessen Mittelanzapfung c mit der Basis des Regeltransistors T₂ verbunden ist. Der Punkt e liegt über der - Arbeitswicklung Aw des Schaltverstärkers am

Minuspol, und der Punkt d liegt unmittelbar am Pluspol der Spannungsquelle B. Dies bedeutet, daß während der Regelphase der Schaltungsanordnung an der Basis des Transistors T₂ eine Steuerspannung wirksam ist, die sich aus einem an R₃ auftretenden Spannungsabfall und der durch Sw erzeugten EMK zusammensetzt. Der Steuerwechselspannung am Regeltransistor T₂ ist somit in ähnlicher Weise wie bei dem Schalttransistor T₁ eine positive Regelgleichspannung überlagert.

Die Vorteile dieser Schaltungsmaßnahmen ergeben sich aus folgendem:

Beabsichtigt man, den Schalttransistor T₁ und den Regeltransistor T₂ zusammen mit dem Widerstand R₁ und zweckmäßig auch zusammen mit den Widerständen R₂ und R₃ als integrierten elektronischen Baustein z.B. aus einem Siliziumeinkristallplättchen herzustellen, so ergibt sich der Vorteil, daß dieser integrierte Baustein mit nur vier Leitungsanschlüssen α, b,d,e hergestellt werden kann, und somit den allgemein gültigen Normen entspricht.

Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß die Steuerschwellspannung zwischen Basis- und Emitterstrecke an den im gleichen Diffusionsverfahren hergestellten Transistoren T₁ und T₂ gleich groß ist und bei Silizitimtransistoren etwa 0,5VoIt beträgt, und des weiteren Umstandes, daß die durch Sw erzeugte Steuerwechselspannung in beiden Halbphasen gleich groß und nur in der Polarität umgekehrt ist, ergeben sich beim Betrieb der Schaltungsanordnung die folgenden Vorteile:

Die um den Spannungsabfall an dem Widerstand R₃ reduzierte in der Steuerwicklung Sw induzierte Steuerspannung ist zwar in der Lage, den Regeltransistor T₂ voll durchzusteuern, so daß bei auftretenden mechanischen Stoßen auf das System und in der Steuerspule Sw erzeugten Spannungsspitzen der Kondensator C₁ völlig entladen werden kann, diese Spannungsspitzen können aber noch so klein gehalten werden, daß sie für sich allein nicht ausreichen, den Schalttransistor T₁ durchzusteuern. Ein Durchgehen der Antriebsvorrichtung kann dadurch mit Sicherheit vermieden werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ergibt somit eine Erweiterung des Regelbereiches für die oberhalb der Solleistung liegenden Betriebszustände der Schaltungsanordnung. Die Anordnung zeigt darüber hinaus noch eine verbesserte Regelwirkung bezüglich Änderungen der Betriebsspannung und bezüglich auftretender Temperaturschwankungen.

Wird als Spannungsquelle eine Trockenbatterie verwendet, so nimmt deren Spannung von anfänglich 1,7 Volt mit zunehmender Entladung auf 1,1 Volt ab. Man entnimmt der Schaltung, daß sich im gleichen Maße auch die Betriebsspannung des Spannungsteilers R₂, R₃ ändert. Die hiermit verbundene verminderte Durchsteuerung des Transistors T₂ bewirkt somit eine Erhöhung der mittleren Spannung an der Basis des Transistors T₁ und damit eine größere Durchsteuerung dieses Transistors. An der Arbeitswicklung des Schalttransistors kann daher ein von der Spannung der Spannungsquelle nahezu unabhängiger Spannungsabfall erzeugt werden.

Um diese stabilisierende Wirkung der Anordnung noch zu verstärken, ist bei der in Fi g. 2 dargestellten Schaltung zwischen dem Ende des Widerstandes R₂ und dem Punkt d der Schaltung eine in Durchlaßrichtung gepolte Siliziumdiode D eingeschaltet. Dies hat zur Folge, daß wegen der bei einer solchen Diode vorhandenen Schwellspannung von etwa 0,5 Volt der gesamte Spannungsabfall der Batterie von anfänglich 1,7 bis 1,1 Volt auf 1,2 bis 0,6 Volt reduziert wird. Gegenüber einer Abnahme von 35% beträgt die Abnahme der Speisespannung an dem Spannungsteiler R₂, R₃ jetzt etwa 50 %, wodurch bei geeigneter Bemessung der Widerstände A₂, R₃ eine größere Änderung der an dem Transistor T₂ auftretenden Regelspannung hervorgerufen wird, als dies bei der Ausführung gemäß Fig. 1 der Fall ist.

Eine weitere Verbesserung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist noch dadurch möglich, daß die Steuerschwellspannung der beiden Transistoren T₁ und T₂ verschieden groß gemacht wird. Dies kann beispielsweise bei der Herstellung dieser Schaltelemente in einem integrierten Baustein dadurch geschehen, daß auf dem Siliziumplättchen für die Basis des Transistors T₁ eine wesentlich kleinere Fläche als für die Basis des Transistors T₂ gewählt wird. Dies hat zur Folge, daß die Steuerschwellspanmmg an dem Transistor T₁ gegenüber der Steuerschwellspannung an dem Transistor T₂ z. B. von 0,5 Volt auf etwa 0,6 Volt erhöht wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen Transistorschaltverstärker, insbesondere für den Antrieb zeithaltender Geräte, bei welcher im Arbeitskreis eines Schalttransistors erne Antriebswicklung und eine Gleichspannungsquelle (Trockenbatterie) und im Steuerkreis dieses Schalttransistors eine Steuerwicklung vorgesehen sind und bei welcher die in dem Arbeitsstromkreis erzeugten Schaltimpulse zum Antrieb eines mechanisch schwingenden oder rotierenden Systems dienen und durch die Bewegung dieses Systems den Schalttransistor steuernde Steuerimpulse erzeugt werden, bei der ferner in Reihe zu der Steuerwicklung im Basis-Emitter-Kreis des Schalttransistors ein Kondensator und zwischen der Basis und dem mit dem Kollektor i des Schalttransistors verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle ein Ladewiderstand vorgesehen ist und parallel zu dem genannten Kondensator die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Regeltransistors geschaltet ist, an dessen Basis eine von der Steuerspannung am Schalttransistor um 180° phasenverschobene Regelspannung wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Steuerwicklung (Sw) des Schalttransistors (T₁) abgeleiteten, an der Basis des Regeltransistors (T₂) wirksamen Regelspannung eine von der Speisespannung der Schaltungsanordnung abgeleitete, weitere Regelspannung gleichsinnig zu der ersten Regelspannung überlagert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Regelsteuerspannung überlagerte zweite Regelsteuerspannung mit Hilfe eines Spannungsteilers (R₂, R₃) erzeugt wird, der zwischen den Anschlußpunkt (e) zu dem Emitter des Schalttransistors (T₁) und der Steuerspule (Sw) einerseits und dem kollektorseitigen Pol (d) der Spannungsquelle (B) andererseits liegt und dessen Abgriff (c) mit der Basis des Regeltransistors (T₂) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem kollektorseitigen Pol der Spannungsquelle (B) und dem diesen Pol zugeordneten Pol des Spannungsteilers (R₂, R_s) ein den Spannungsabfall an dem Spannungsteiler (R₂, R₃) verringernder spannungsabhängiger Widerstand vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhän-

gige Widerstand aus einer in Durchlaßrichtung gepolten Diode (D) besteht.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem die Transistoren (T₁, T₂) enthaltenden integrierten Baustein, dadurch gekennzeichnet, daß in dem integrierten Baustein die für die Basis des Transistors (T₁) vorgesehene Fläche erheblich kleiner als die rar die Basis des Transistors (T₂) vorgesehene Fläche gewählt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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