DE2136329A1

DE2136329A1 - Elektronischer schaltkreis fuer elektrisch angetriebene uhren

Info

Publication number: DE2136329A1
Application number: DE2136329A
Authority: DE
Inventors: Heinz Meitinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-07-21
Filing date: 1971-07-21
Publication date: 1973-02-01
Also published as: US3807163A

Description

"Elektronischer Schaltkreis für elektrisch angetriebene Uhren"

von Heinz Meitinger, 7530 Pforzheim, Königsberger Str. 7

Gegenstand der Erfindung ist ein elektronischer Schaltkreis zum Betrieb von mechanischen Schwingern für Uhren, deren elektrischer Antriebsteil aus einer Spule und einem Permanentmagneten besteht* Die bekannten elektronischen Antriebsschaltungen für oben genannten Verwendungszweck weisen den Nachteil auf, dass sie nur einen geringen stabilisierenden Einfluss auf die mechanische Schwingungsamplitude des Schwingers haben. Dies hat zur Folge, dass die mechanische Schwingungsanplitude nach ausseren Störungen, insbesondere nach Beschleunigungseinflüssen, nur sehr langsam wieder zu dem Sollwert zurückkommt. Da mechanische Schwinger in der Praxis den Kachteil besitzen, dass sie bei verschiedenen Amplituden unterschiedliche Frequenzen aufweisen, ergibt sich daraus eine Verschlechterung der Ganggenauigkeit.

Der Erfindung liegt nun die Aufgäbe zugrunde, einen Schaltkreis zu finden, welcher bei einem möglichst geringen Kostenaufwand eine sehr starke Stabilisierung der Amplitude des mechanischen Schwingers aufweist. Dabei soll der mechanische Schwinger in erster Linie gegen Amplitudenstörungen mechanischer Art, d.h. Reibungeänderungen und Beschleunigungen, stabilisiert werden. Ausserdem muss die Amplitude auch bei Änderungen der elektrischen Antriebsspannung möglichst unverändert bleiben.

Da durch Anwendung integrierter Halbleiterschaltkreise zusätzliche !Transistoren nur unbedeutende Mehrkosten verursachen, Jedoch Spulen wegen ihrer Empfindlichkeit und wegen der relativ teuren Verbindung der Spulenanschlüsse immer einen hohen Kostenfaktor darstellen, empfiehlt es sich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, eine Lösung mit nur einer Spule anzustreben. Da elektrische Uhren im all-

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gemeinen durch, eine Batterie mit der notwendigen Energie versorgt werden, darf eine Amplitudenregelung keineswegs zu einer Vergrösserung des Energieverbrauchs führen.

Die hier beschriebene Erfindung, welche eine Amplitudenregelung durch eine Regelung der Impulsbreite anstrebt, ermöglicht es darüber hinaus noch, den Antriebsimpuls so günstig in den Bereich der gröseten EMK und damit des grössten Wirkungsgrades zu legen, dass sich sogar eine Verringerung des Stromverbrauchs ergibt.

Die besonderen Merkmale sowie die Funktion der Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels des elektronischen Schaltkreises.

Fig. 2 und 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele.

Die Grundlage des in allen Figuren dargestellten Antriebskreises bildet eine sog. Komplementärschaltung der Transistoren A (Arbeitstransistor) und S (Steuertransistor) ο Sobald durch eine entsprechende Spannung in der Spule 20 oder am Kondensator 21 der Steuertransistor S durchgesteuert wird, erhält auch der Transistor A einen Steuerstrom, wodurch die Spule in einem leitenden Schaltkreis mit der Batterie verbunden wird. Pie Widerstände 5 und 7 dienen lediglich zur Temperaturstabilisierung oder zur Strombegrenzung» Der Widerstand 1 ermöglicht eine Durchsteuerung der Schaltung in Abhängigkeit von der in der Spule 20 durch di· relativ zu ihr bewegten Permanentmagnete induzierten EME. Die Permanentmagnete, welche zum mechanischen Aufbau der Uhr gehören, sind nicht dargestellt. Sie sind bekannterweise so aufgebaut, dass sie in etwa während der grössten Geschwindigkeit des Schwingers in der Spule eine EMK induzieren. Der Kondensator 21 bildet mit dem Widerstand 6 ein RC-Glied, welches beim Fehlen von EMK-Signalen die Schaltung zum impulsweisen Durchsteuern veranlasst.

Zu Fig. Is

Um eine Amplitudenregelung zu ermöglichen, muss in der

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Schaltung dia mechanische Amplitude das Schwingers durch ein elektrisches Signal dargestellt werden. Da eich die durch den Permanentmagneten in der Spule induzierte ME im gleichen Verhältnis ändert wie die mechanische Amplitude der Spule, wird diese elektrische Grosse gemessen imrj zur Beeinflussung der Impulsbreite des Antriebes tr oma herangezogen. Sie EMK kann jedoch bei den Einspulensystemen nicht direkt abgegriffen werden, da hier immer der Spannungsabfall am Ohmschen Widerstand der Spule überlagert wird. Um dennoch eine Spannung zu erhalten, welche sich . im gleichen Verhältnis wie die EMK der Spule ändert, wird eine sog. Brückenschaltung verwendet, die aus den Widerständen 1, 2 und 3 sowie aus der Spule und der Diode D besteht. Im Diagonalzweig dieser Brücke liegt der Transistor R, welcher im Verhältnis der durch die EIiK der Spule verursachten Verstimmung der Brückenspannung durchgesteuert wird. Der mit dem Transistor R komplementär geschaltete Transistor V verbindet dann die Basis des Transistors R mit dem Plus-Pol der Spule. Dadurch wird der Kondensator 21 in verstärktem Hasse umgeladen, wodurch die Summe, gebildet aus Kondensatorspannung und Spannung in der Spule 20, kleiner wird. Dies hat zur Folge, dass erstens der laufende Impuls verkürzt wird und ausserdem der nächstfolgende Antriebsimpuls später einsetzt, weil zur neuerlichen Zündung des Antriebsimpulses eine grössere EUK erforderlich ist und eine grössere Ladezeit benötigt wird. Durch den Widerstand 9 können übermässige Umladungen des Kondensators 21 und damit verbundene Regelschwingungen "unterdrückt werden. Die Diode D in der BrüeJse stellt ein Äquivalent zur Schwellspannung des Transistors R dar und dient zur Temperaturstabilisierung. Die Widerstände 3-6 werden wegen ihrer Grosse vorzugsweise als Dickfilmwiderstände aufgebaut. Der Kondensator 21 sowie die Spule 20 werden ebenfalls extern zugeschaltet. Der übrige Schaltkreis kann integriert werden. Durch die extern zugeschalteten Widerstände und Kondensatoren, insbesondere durch den Widerstand 3, ist es möglich, den integrierten Schaltkreis an verschiedene Uhrentypen anzupassen, wodurch die für die Wirtschaftlichkeit von integrierten Schaltkreisen erforderliche groese Stückzahl ermöglicht werden kann. Durch den abgleichbaren Widerstand 3 lcann die mechanische Amplitude des Schwingers auf

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einen beliebigen Wert eingestellt werden. Versuche haben gezeigt, das« eich bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung die dem Schwinger zugeführte Energie 10-2Qmal stärker ändert als die mechanische Amplitude des Schwingers. Durch diese Schaltung können auch die Amplituden solcher Schwinger stabilisiert werden, deren SMK erheblich kleiner ist als die Schwellspannung bei den üblichen Transistoren. Selbstverständlich muss die mögliche !Energiezufuhr, welche durch die geometrischen Verhältnisse des Motors und die elektrischen Widerstände im Spulenkreis sowie die elektrische Spannung der Spannungsquelle S₁ bestimmt wird, gross genug sein, um der Schaltung auch eine Vergröseerung der Impulsbreite und damit auch eine Vergrösserung der Energie auf uhr zu ermöglichen, falls die mechanische Amplitude durch aussere Einflüsse verkleinert wird.

Die Gleichungen 1-3 gestatten eine Bestimmung der einzelnen im Brückenzweig wirksamen Komponenten« Die Gleichung zeigt, dass die Kompensation der temperaturbedingten Schwellspannungsänderung des Regeltransistors R durch die Diode D nur unvollkommen erfolgt. Dies hätte eine Verringerung der Amplitude des mechanischen Schwingers bei Temperaturanstieg zur folge. Da jedoch die in Uhren im allgemeinen verwendeten Magnetmaterialien, insbesondere Strontium/Ferrit, eine negative Temperaturcharakteristik haben, nimmt bei steigender Temperatur mit der Schwellspannung gleichzeitig auch die in der Spule induzierte BMS ab, wodurch der in Gleichung 3 dargestellte Kompensationsfehler weitgehend ausgeglichen wird. Der Kompensationsfehler nach Gleichung 3 kommt zustande, weil Ez, d.h. die Schwellspannung der Diode D, nicht mit dem Faktor 1, sondern mit dem Faktor i- ^S2 multipliziert wird. Wenn die Schaltung nach ^E2^{+ H}3 Gleichung 1 dimensioniert wird, ergibt sich eine volle Kompensation der Batteriespannungsänderung. Falls dies nicht erforderlich ist, kann die SMK, bei der die Regelung einsetzen soll, durch Abstimmen des Widerstands 3 auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden, was die Anwendungsmöglichkeiten dieses Schaltkreises vergrössert.

Die in Fig. 2 dargestellte Antriebsschaltung stellt eine

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vereinfacht& Ausführung der Figo 1 dar, wobei die an der Spule abfallende Spannung gemessen wird, welche sich im Verhältnis der EMK ändert, da der Spule der Widerstand 1 in Reihe geschaltet ist. Die Schwellspannung der Diode D muss durch entsprechende Bemessung bei der Auslegung des integrierten Schaltkreises so eingestellt werden, dass sie immer kleiner ist als die Schwellspannung des Transistors R.

Fig. 3 stellt ebenfalls eine vereinfachte Ausführung von Fig. 1 dar, wobei der Transistor R als pnp-Transistor aufgebaut ist und dessen Kollektor mit der Basis des Steuertransistors verbunden ist·

Trotz des der Spule parallel geschalteten Regelkreises ergibt sich durch die günstigere Lage des Antriebsimpulses kein höherer Stromverbrauch als ohne besondere Amplitudenregelung·

Gleichungen zur Bestimmung der Bauelemente nach Fig. 1:

Für volle Kompensation der Batteriespannungeänderungen t , , *2 <*5 * *1> -R

Zur Bestimmung der Amplitude durch Wahl von

-l) B₂

Allgemeine Gleichung:

^El

Batteriesp

annun

B₂ - BMK

χ ■ Schwellspannung der Diode D c " Spulenwiderstand

Spannung zwischen Basis und Emitter des Regeltransistors

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Claims

Patentansprüche

(l7)Elektronischer Schaltkreis zum Antrieb elektrischer Uhren, welcher aus einer Komplementärschaltung aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Kombination von Widerständen, welche einen zusätzlichen, zur Spule parallel geschalteten Schaltkreis bildet, eine Regelspannung abgegriffen wird, welche sich im Sinne der durch die relativ zur Spule bewegten Permanentmagnete in der Spule induzierten SUK ändert, und dass bei einer Vergrösserung dieser Regelspannung die Impulsbreite des Antriebsimpulses durch verstärkte Umladung des Kondensators (21), welcher zwischen die Basis des Transistors (S) und den Kollektor des Transistors (A) geschaltet ist, verringert wird und umgekehrt.

2. Elektronischer Sehaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Gewinnung der Regelspannung benützte Widerstandskombination eine Brückenschaltung ist, welche aus den Widerständen (1), (2) und (3) sowie der Spule (20) und der Diode (D) aufgebaut ist.

3« Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Diagonalsweig der Brüekenschaltung liegende Transistor ein npn-Transistor ist, dessen Kollektor mit der Basis des eigentlichen Umladetransistors (V) verbunden ist.

4. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelspannung durch mit der Spule parallel geschaltete Spannungsteiler gebildet wird.

5· Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Brückenzweig liegende Diode (D) (Fig· 2) so ausgelegt ist, dass deren Schwellspannung kleiner ist als die Schwellspannung der Basis-ZEmitterstrecke des Transistors (R).

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6. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltransistor als pnp-Transistor aufgebaut ist, dessen Basis-/Emitterstrecke im Diagonalzweig der Brückenschaltung liegt und der Kollektor des Regeltransistors mit der Basis. des Steuertransistors verbunden ist.

7* Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (21) durch einen Widerstand (9) mit der Basis des Steuertransistors (R) und dem Kollektor des Umladetransistors verbunden ist«

8. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, dass die im Schaltkreis enthaltenen Transistoren als MOS-Transistoren ausgebildet sind.

9. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die MOS-Transistoren (A), (R) und (V) mit Basisableitwiderständen oder Umladetrausist or en ausgestattet sind·

10. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkte Umladung des Kondensators (21) nur gleichzeitig mit dem Antriebs-" impuls stattfinden kann, welcher durch den Kollektor» strom des Arbeitstransistors gebildet wird.

11. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkte Umladung des Kondensators (21) nur durch eine EIiK ausgelöst werden kann, welche so gepolt ist, dass sie auch den Steuertransistor (S) durchsteuern könnte·

12. Elektronischer Schaltkreis nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle und die Dioden umgepolt werden und pnp-Transistoren npn-Trans is toren werden und umgekehrt.

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