DE2036330B2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur automatischen Amplitudenregelung von elektromechanischen Schwingern - Google Patents

Description

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steht und sich die Magnete mit dem Schwinger be- Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des

wegen oder bei feststehenden Magneten die Spule erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekenn-

mit dem Schwinger beweglich ist. Zur Vereinfachung zeichnet, daß im Falle einer zweistufigen Regelschal-

der Darstellung wird im folgenden ein Einmagnet- tung diese aus zwei komplementären Transistoren be-

system betrachtet. Bei diesem hat im eingeschwun- 5 steht, wobei der erste vom gleichen Leitungstyp wie

genen Zustand die Spannung am Kollektor des Ar- der Steuertransistor ist und mit seiner Basis an das

beitstransistors Π den in Fig. 2 dargestellten zeit- batteriespannungsseitige Ende der Spule und mit

liehen Verlauf. Die durch die Relativbewegung zwi- seinem Emitter — eventuell über einen Widerstand —

sehen Magnet und Spule in dieser induzierte Span- an das Ende der Spule angeschlossen ist und wobei

nung U₁ mit dem Scheitelwert u_t erreicht nach dem to der zweite Transistor vom Leitungstyp des Arbeits-

Nulldurchgang die Ansprechschwelle U_s des Steuer- transistors ist und mit seiner Basis an den Kollektor

transistors Γ 2, so daß beide Transistoren leitend des ersten Transistors und mit mindestens einer seiner

werden. anderen Elektroden an ein Parallel-/?C-Glied ange-

Während der Zeit t₁ ist somit der Arbeitstransistor schlossen ist, das entweder mit seinem einen Ende an

Tl durchgesteuert, und es fließt ein Strom durch die 15 Bezugspotential und mit seinem anderen Ende über

Spule L. Die Größe dieses Stromes und damit die einen Widerstand an der Basis des Steuertransistors

dem Schwingsystem zugeführte Energie hängt u. a. liegt oder mit seinem einen Ende an Batteriespannung

von der Batteriespannung ab. Wegen dieser Abhän- und mit seinem anderen Ende am Emitter des Steuer-

gigkeit verringert sich die Schwingungsamplitude mit transistors liegt.

abnehmender Batteriespannung, wodurch die Gang- 20 Ausführungsbeispiele solcher Schaltungsanordnun-

genauigkeit beeinträchtigt wird. Außerdem wird die gen sind in den F i g. 3 bis 5 der Zeichnung darge-

Schwingungsamplitude durch schnelle Lageänderun- stellt und werden nun näher erläutert,

gen, z. B. bei Armband- oder Autouhren, beeinflußt. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung zeigt

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die um den der Amplitudenregelung dienenden

durch geeignete Schaltungsmaßnahmen den Einfluß 25 Schaltungsteil erweiterte Schaltung nach Fig. 1. Der

der Batteriespannung auf die Schwingungsamplitude Widerstand R 2, der die Basis des Steuertransistors

auszuregeln und diese somit konstant zu halten. Aus mit dem Schaltungsnullpunkt verbindet, ist in zwei

der obenerwähnten französischen Auslegeschrift Teilwiderstände aR2 und (l-a)R2 aufgeteilt, wobei

2 000 706 ist diese Aufgabe an sich bekannt. Zur Lö- der letztere Teilwiderstand durch den parallelgeschal-

sung wird dort von dem Prinzip Gebrauch gemacht, 30 teten Kondensator Cl überbrückt ist. Der Buch-

mit zunehmendem Spitzenwert der in der Spule frei stäbe α soll hierbei eine beliebige Zahl kleiner als eins

induzierten Spannung die Stromflußzeit des Antriebs- definieren.

impulses in der Spule zu verringern. Hierbei tritt im Der erste Transistor Γ 3 des Regelschaltungsteils, Vergleich mit der gleichen Aufgabenstellung bei der vom gleichen Leitungstyp wie der Steuertransistor Zweispulenschaltungen jedoch die besondere Schwie- 35 T2 ist, liegt mit seiner Basis an der Batteriespannung rigkeit auf, daß es nicht wie bei Zweispulenschaltun- —U_B, mit seinem Emitter über den Widerstand R 3 gen möglich ist, die im Zeitpunkt des Durchschaltens am Kollektor des Arbeitstransistors Tl—der Emitter des Arbeitstransistors auftretende induzierte Span- des Transistors T 3 kann auch direkt mit dem Kolleknung als Maß für die Regelung zu benutzen, da bei tor des Arbeitstransistors Π verbunden sein — und der Einspulenschaltung an der Spule zusätzlich die 40 mit seinem Kollektor an der Basis des zweiten Trandurch den Kollektorstrom des Arbeitstransistors am sistors T 4 des Regelschaltungsteils. Der Kollektor ohmschen Widerstand der Spule abfallende Spannung des Transistors Γ 4 ist mit der Batteriespannung U_B auftritt. Vielmehr kann nur derjenige Teil der frei verbunden, während sein Emitter an dem dem Schalinduzierten Spannung zur Regelung herangezogen tungsnullpunkt (+) abgewandten Ende des Parallelwerden, der vor oder nach dem Antriebsimpuls 45 KC-Gliedes (l-a)R 2, Cl angeschlossen ist.
in der Spule induziert wird, wie die Schaltungen Die Schaltungsanordnung nach F i g. 4 unterscheinach der erwähnten französischen Auslegeschrift und det sich von derjenigen nach Fig. 3 dadurch, daß der obengenannten deutschen Offenlegungsschrift der Widerstand R₂ nicht aufgeteilt ist, daß dem Wi-1931 507 zeigen. derstand R₁ ein Kondensator C 2 parallel geschaltet ist

Die Erfindung löst die bekannte Aufgabe unter 5° und daß ferner der Emitter des Transistors Γ 4 am

Anwendung des erwähnten Prinzips auf prinzipiell Schaltungsnullpunkt angeschlossen ist, während

andere Weise dadurch, daß zumindest einer der bei- dessen Kollektor am batteriespannungsabgewandten

den Steuerelektroden (Basis oder Emitter) des Steuer- Ende des Parallel-J?C-Gliedes R1, C2 angeschlossen

transistors eine Gleichvorspannung zugeführt wird, ist.

deren Höhe durch eine mindestens zweistufige Regel- 55 Die in F i g. 5 gezeigte Schaltungsanordnung komschaltung derart in Abhängigkeit vom Spitzenwert biniert die Schaltungsanordnungen nach den Fig. 3 der in der Spule frei induzierten Spannung bestimmt und 4 in der Weise, daß der Emitter des Transistors wird, daß sich mit zunehmendem Spitzenwert der frei Γ4 an dem Parallel-ÄC-Glied (l-a)R2, Cl angeinduzierten Spannung die Ansprechschwelle der den schlossen ist und der Kollektor desselben Transistors Steuertransistor enthaltenden Schaltungsstufe vergrö- 60 am ParallekRC-Glied R1, C 2 liegt,
ßert und damit die Stromflußzeit in der Spule verrin- Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Schaltungsgert wird. anordnungen wird nun an Hand der F i g. 3 beschrie-

Unter dem Begriff »frei induzierter Spannung« ist ben. Im eingeschwungenen und ausgeregelten Zu-

in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stand fließt über die Kollektor-Emitter-Strecke des

diejenige in der Spule induzierte Spannung zu ver- 65 Transistors T3 und damit im verstärkten Maße über

stehen, die bei gesperrtem Arbeitstransistor Tl die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γ 4 ein

dessen Kollektor-Emitterspannung über die Batterie- durch die Höhe der in der Spule frei induzierten

spannung hinaus erhöht. Spannung und die Bemessung der Bauelemente vor-

gegebener Impulsstrom, der am Kondensator Cl eine bestimmte mittlerer Spannung entstehen läßt. Diese Spannung ist für die Ansprechschwelle des Steuertransistors Tl mitbestimmend. Wird nun durch irgendeinen beliebigen äußeren Einfluß, beispielsweise durch einen Stoß oder durch Änderung der Batteriespannung, der mechanische Schwinger zu einer größeren Amplitude angeregt, so wird in der Spule auch eine größere Spannung w,- (F i g. 2) induziert, deren Scheitelwert ü_t größer ist als der des eingeschwungenen Zustands. Somit fließt im Transistor Γ 3 ein größerer Emitter- und Kollektorstrom, der wiederum einen verstärkten Emitterstrom des Transistors Γ 4 veranlaßt. Dadurch lädt sich der Kondensator Cl, bezogen auf den Schaltungsnullpunkt, mehr zu negativen Spannungen hin auf, wodurch, wiederum bezogen auf den Schaltungsnullpunkt, die Basisspannung des Steuertransistors Tl ebenfalls negativer wird, so daß sich die Ansprechschwelle dieser Stufe vergrößert, d. h., der Steuertransistor T 2 schaltet erst später als im eingeschwungenen Zustand ein, wodurch die Stromflußzeit I₁ verkürzt und die dem elektromechanischen Schwingungssystem zugeführte Energie verringert wird.

Bei sehr starker äußerer Einwirkung im Sinne einer Erhöhung der Schwingungsamplitude kann infolge der Regelwirkung die Ansprechschwelle U₅ so stark verschoben werden, daß der Steuertransistor Γ 2 erst nach einem oder mehreren Impulsen wieder aufgesteuert wird, d. h., erst wenn durch die mechanische Dämpfung des Schwingers seine Amplitude wieder abgenommen hat.

Erfolgt dagegen die äußere Einwirkung auf das Schwingsystem in der Weise, daß dessen Amplitude verringert wird, so laufen die elektrischen Vorgänge mit umgekehrtem Vorzeichen ab. In prinzipiell gleicher Weise arbeitet die Schaltung nach F i g. 4, nur daß bei dieser nicht die Basisvorspannung des Steuertransistors, sondern seine Emittervorspannung in Abhängigkeit von der frei induzierten Spannung geregelt wird.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Schaltungsanordnungen lassen sich mit Vorteil in monolithisch integrierter Bauweise, d. h. als Halbleiterfestkörperschaltung realisieren. Im Falle der besonders wirksamen Schaltungsanordnung nach F i g. 5 läßt sich ein integriertes Bauelement schaffen, das nur fünf äußere Anschlüsse benötigt, nämlich zwei für die Batteriespannung und jeweils einen für je ein Ende der Spule L und der Kondensatoren C1 und C 2. Diese Anzahl kann bei den Anordnungen nach F i g. 3 und 4 sogar auf vier Anschlüsse verringert werden, da in diesen Schaltungen nur jeweils ein Kondensator enthalten ist.

Wird die monolithische Integration der Schaltungsanordnungen mit den in den F i g. 3 bis 5 eingezeichneten Leitungstypen der einzelnen Transistoren vorgenommen, sind also die Transistoren Tl und Γ 4 pnp-Transistoren und die Transistoren Tl und Γ 3 npn-Transistoren, so ist es besonders zweckmäßig, den Arbeitstransistor als Substrattransistor auszubilden, d. ti., daß dessen Kollektorzone mit der der ganzen monolithisch integrierten Schaltung gemeinsamen p-Substratzone identisch ist. Dadurch ergibt sich ein höherer Stromverstärkungsfaktor, ohne daß zusätz-

ao liehe technologische Maßnahmen ergriffen werden müssen.

Schließlich kann bei monolithischer Integration der Schaltung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Γ 4 zweckmäßigerweise die Basis-Emitter-Strecke eines Zusatztransistors parallel geschaltet werden, wobei zusätzlich der Kollektor dieses Zusatztransistors mit dessen Basis verbunden ist. Hierbei macht man zweckmäßigerweise die pn-Ubergangsflächen des Zusatztransistors kleiner oder höchstens gleich den pn-Ubergangsflächen des Transistors Γ 4, wodurch der Kollektorstrom des Transistors T 4 von Stromverstärkungsfaktorstreuungen unabhängiger wird, so daß die Kondensatoren Cl bzw. Cl definierter aufgeladen werden.

Auf Grund der monolithischen Integrierbarkeit der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Schaltungsanordnungen und der geringen Zahl der dabei benötigten äußeren Anschlüsse sind diese besonders für Armbanduhren geeignet. Infolge der guten Regeleigenschaften sind sie aber auch mit Vorteil in solchen Uhren verwendbar, die an stark schwankender Batteriespannung betrieben werden. Zum Beispiel zeigte eine mit einer Schaltung nach F i g. 5 aufgebaute Uhr bei Batteriespannungsschwankungen zwischen 1,1 und 1,6 Volt eine Gangabweichung von weniger als 5 s/d.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur automatischen Regelung der

   Steuerelektroden (Basis oder Emitter) des Steuertransistors eine Gleichvorspannung zugeführt wird, deren Höhe durch eine mindestens zweistufige Regelschaltung derart in Abhängigkeit 2° vom Spitzenwert der in der Arbeitsspule frei induzierten Spannung bestimmt wird, daß sich mit zunehmendem Spitzenwert der frei induzierten Spannung die Ansprechschwelle der den Steuer-

   Zum Unterhalten der Schwingung von elektromechanischen Schwingern, wie sie beispielsweise in Uhren als Unruhen, Stimmgabeln, Pendel usw. verwendet werden, können bekanntlich elektronische

   Schwingungsamplitude von elektromechanischen 5 Transistorschaltungen dienen. Diese Schaltungen Schwingern beim Antrieb über eine einzige Spule, lassen sich in zwei Klassen einteilen, nämlich in die von einer elektronischen Schaltung mit einem solche, die mit zwei Spulen — einer Steuer- und Arbeitstransistor und einem dazu komplementären einer Antriebsspule — die mechanische Schwingung Steuertransistor erregt wird und in den Kollektor- aufrechterhalten, und solche, die nur eine einzige zweig des Arbeitstransistors geschaltet ist, wobei 10 (Antriebs-)Spule benötigen.

   die Basis des Arbeitstransistors vom Kollektor- Bei beiden Antriebsprinzipien spielt die Konstantstrom des Steuertransistors gespeist wird und die haltung der Schwingungsamplitude des mechanischen Basis des Steuertransistors über elektronische Schwingers eine erhebliche Rolle, da dessen Schwin-Schaltmittel mit dem Kollektor des Arbeitstran- gungsamplitude die Ganggenauigkeit der Uhr wesentsistors verbunden ist, dadurch gekenn- 15 lieh beeinflußt. Andererseits ist jedoch die Schwinzeichnet, daß zumindest einer der beiden gungsamplitude von einer ganzen Reihe äußerer Einflüsse abhängig, wie z. B. der Umgebungstemperatur, der räumlichen Lage der Uhr (insbesondere bei Armbanduhren von Bedeutung), der Batteriespannung usw. Die Konstanthaltung der Schwingungsamplitude ist bei Zweispulenschaltungen bereits üblich und stellt keine besonderen schaltungstechnischen Schwierigkeiten dar.

   Bei Einspulenschaltungen jedoch bereitet die Kontransistor enthaltenden Schaltungsstufe vergrößert 25 stanthaltung der Schwingungsamplitude des mecha- und damit die Stromflußzeit in der Spule verrin- nischen Schwingers auf elektronischem Wege einige gert wird. Schwierigkeiten.
2. 2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur

   Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn- automatischen Regelung der Schwingungsamplitude zeichnet, daß die Regelschaltung zweistufig aus- 3° von mechanischen Schwingern (Unruh, Stimmgabel, geführt ist und aus zwei komplementären Tran- Pendel usw.) beim Antrieb über nur eine einzige sistoren (Γ3, T 4) besteht, von denen der erste Spule, die von einer elektronischen Schaltung mit (Γ3) vom gleichen Leitungstyp wie der Steuer- einem Arbeitstransistor und einem dazu komplementransistor (T 2) ist, mit seiner Basis an das batte- tären Steuertransistor erregt wird und in den Kollekriespannungsseitige Ende der Spule (L) und mit 35 torzweig des Arbeitstransistors geschaltet ist, wobei seinem Emitter — eventuell über einen Wider- die Basis des Arbeitstransistors vom Kollektorstrom stand (R 3) — an das andere Ende der Spule (L) des Steuertransistors gespeist wird und die Basis des angeschlossen ist, und der zweite (Γ4) vom Lei- Steuertransistors über elektronische Schaltungsmittel tungstyp des Arbeitstransistors (Tl) ist, mit seiner mit dem Kollektor des Arbeitstransistors verbunden Basis an den Kollektor des ersten Transistors 40 ist.

   (T3) und mit seiner Basis und/oder mit seinem Eine bekannte Schaltung dieser Art ist in Fig. 1

   Emitter jeweils an ein Parallel-i?C-Glied ([1-a] der Zeichnung dargestellt. Die Spule L liegt mit R2, Cl bzw. Rl, C2) angeschlossen ist, das mit ihrem Ende an der Batteriespannung — U_B und einem Ende an Bezugspotential und mit seinem mit ihrem anderen Ende am Kollektor des Arbeitsanderen Ende über einen Widerstand (aR2) an 45 transistors Tl, dessen Basis vom Kollektorstrom des der Basis des Steuertransistors (Γ2) liegt bzw. komplementären Transistors Tl gesteuert wird. Der mit seinem einen Ende an Batteriespannung (U₃) Emitter des Steuertransistors T 2 ist, gegebenenfalls und mit seinem anderen Ende am Emitter des über einen Gegenkopplungswiderstand R1, an der Steuertransistors (Γ2) liegt. Batteriespannung U_B angeschlossen. Die Basis des
3. 3. Monolithisch in Form einer Halbleiterfest- 5° Steuertransistors Γ 2 liegt einerseits über einen Widerkörperschaltung integrierte Schaltungsanordnung stand R 2 am Schaltungsnullpunkt und ist andererseits über ein Koppelnetzwerk K mit dem Kollektor des Arbeitstransistors Tl verbunden. Über den Widerstand R 2 fließt der zum Anschwingen der Schal-55 tung erforderliche Basisstrom des Steuertransistors T 2. Das Koppelnetzwerk kann aus einem Kondensator, einem Widerstand oder einer Diode oder aus Kombinationen dieser Elemente bestehen (vgl. die deutschen Offenlegungsschriften 1448 348 und
4. chen Leitungstyps parallel geschaltet ist, dessen 60 1 931 507, die deutsche Auslegeschrift 1166 101, die Kollektor mit dessen Basis verbunden ist. französische Auslegeschrift 2 000 706 und »Jahrbuch
5. 5. Monolithisch integrierte Schaltungsanord- der Deutschen Gesellschaft für Chronometrie«, nung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, Bd. 20/1 (1969), Stuttgart 1970, S. 17 bis 29). daß die pn-Ubergangsflächen des Zusatztransistors Diese bekannte Schaltung ist sowohl für Ein- als

   kleiner oder höchstens gleich den pn-Übergangs- 65 auch Mehrmagnetsysteme geeignet, d. h., mit der flächen des zweiten Transistors (T 4) sind. Spule L können ein oder mehrere Magnetpolpaare

   zum Aufrechterhalten der mechanischen Schwingungen zusammenwirken, wobei entweder die Spule fest

   nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone des Arbeitstransistors (Tl) mit der der gesamten Halbleiterfestkörperschaltung gemeinsamen Substratzone identisch ist.

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (Γ4) die Basis-Emitter-Strecke eines Zusatztransistors glei-