DE2139682A1

DE2139682A1 - Induktiv mit der Netzfrequenz synchronisierte elektrische Uhr

Info

Publication number: DE2139682A1
Application number: DE19712139682
Authority: DE
Inventors: Rokusaburo Kajihara Masanon Kotani Akihide Osaka Kimura (Japan) P
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-08-11
Filing date: 1971-08-07
Publication date: 1972-04-06
Also published as: FR2102184B1; CH533331A; CH1173271A4; DE2139682C3; DE2139682B2; FR2102184A1; US3756010A

Description

PR. HEINRICH HERMELINK ""'.'· '".'

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München, den ^{ü> HU}»· **''

München, den 27/OI9

MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD.,

1048 Oaza Kadoma, Kadoma-shi,

Osaka, Japan

Induktiv mit der Netzfrequenz synchronisierte elektrische Uhr

Die Erfindung betrifft eine induktiv mit der Netzfrequenz synchronisierte elektrische Uhr mit einem Fühlglied für das magnetische Streufeld des elektrischen Installationsnetzes und einem von dem verstärkten Ausgangssignal des Fühlgliedes beaufschlagten Transistormotor zum Antrieb der Uhr.

Da das elektrische Installationsnetz heutzutage normalerweise in allen Räumen eines Gebäudes verlegt ist, machen sich überall mehr oder weniger starke elektrische und magnetische Streufelder bemerkbar. Wegen der niedrigen Netzfrequenz kommt es allerdings nicht zur Ausbildung eines Strahlungsfeldes (elektromagnetische Wellen), so daß nur das Induktionsfeld in der Umgebung der Netzleitungen mehr oder weniger stark in Erscheinung tritt. Während das elektrische Induktionsfeld vom Stromfluß weitgehend unabhängig ist, tritt ein magnetische· Induktionsfeld nur bei einem Stromfluß auf·

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Netzausfälle sind infolge des Verbundbetriebes der Elektrizitätswerke sehr selten geworden und die Netzfrequenz wird mit äußerst großer Genauigkeit konstant gehalten! aus diesem Grunde haben sich mit der Netzfrequenz betriebene Synchronuhren in erheblichem Umfang durchgesetzt. Solche Uhren benötigen aber immer einen Anschluß an die nächste Steckdose, was häufig unerwünscht ist.

Aus der US-Patentschrift 2 786 972 ist eine Synchronuhr bekannt, die keinen Anschluß an eine Steckdose benötigt. Bs wurde nämlich festgestellt, daß im allgemeinen die Intensität des von dem elektrischen Installationätaetz induzierten magne-

—7 tischen Streufeldes in Wohnräumen mehr als 2,5 x IO Oersted beträgt und einen Mittelwert von etwa 5 ^c IO Oersted aufweis-Diese Feldstärken reichen aus, um von einem hochempfindlichen magnetischen Fühlglied aufgenommen, verstärkt und zum Antrieb einer Synchronuhr verwendet zu werden. Auf diese Weise läßt sich die hohe Konstanz der Netzfrequenz zum Betrieb einer schnurlosen elektrischen Uhr mit hoher Genauigkeit ausnutzen.

Nun ist aber das magnetische Induktionsfeld des Installationsnetzes örtlich und zeitlich, keineswegs konstant. Häufig erzeugen verschiedene elektrische Geräte und Netzleitungen Je nach ihrem Eins chal tungs zustand mehr oder weniger stark schwankende Induktionsfelder, die sich gegenseitig durch-

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dringen und stören. Dadurch können örtlich und zeitlich Zonen besonders niedriger Feldstärke auftreten; in manchen Fällen schwankt das Induktionsfeld auch durch Bewegung oder Betätigung eines Teils aus magnetischem Material. Beispielsweise dreht sich, in größeren Klimaanlagen eine große Gebläse-Trommel aus Stahl, wodurch dem magnetischen Feld eine Störfrequenz von der Größenordnung IO Hz aufgeprägt wird. Auch in der Nähe elektrischer Schweißgeräte treten starke magnetische Störungen beim Ein- und Ausschalten auf. Diese meist kurzzeitigen Störungen bzw. Feldschwächungen und Feldunterbrechungen wirken sich ungünstig auf die Genauigkeit der oben erwähnten schnurlosen Synchronuhren aus, da keine Vorkehrungen getroffen sind, um solche Störungen auszugleichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die einwandfreie Synchronisierung einer solchen Uhr auch dann herzustellen, wenn infolge einer äußeren Störung das synchronisierende Magnetfeld zu schwach wird oder verschwindet«

Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein gesonderter Oszillator vorgesehen, der ständig mit einer der Netzfrequenz gleichkommenden Nennfrequenz schwingt, und eine Schaltvorrichtung verbindet bei Störungen des Induktionsfeldes der Netzfrequenz den Transistormotor mit dem Osziallator statt mit dem Fühlglied.

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In diesen Fällen wird also die Synchronisierungsfrequenz von dem mit hoher Genauigkeit schwingenden Oszillator geliefert, bis das magnetische Induktionsfeld des Installationsnetzes wieder mit ausreichender Stärke zurückkehrt. Dadurch wird die Ganggenauigkeit der Uhr durch äußere magnetische Störungen nicht beeinflußt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Synchronuhr ,

Fig. 2 »in mehr ins einzelne gehende Schaltbild derselben,

Fig. 3 und k eine Übersichtsdarstellung und ein detailliertes Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung ,

Fig. 5 (l) und Fig. 5 (il) Schaltbild und Kennlinie des verwendeten Begrenzers,

Fig. 6 eine Einzeldarstellung des Transistormotors und des Oszillators der Synchronuhr,

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Fig. 7 (i) bis Fig. 7 (ill) Diagramme zur Erläuterung des Umschaltvorganges,

Fig. 8 (i) und Fig. 8 (il) das Schaltbild und die Kennlinie einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Inneren einer er-. findungsgemäßen Uhr.

Fig. J. zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung. Die Uhr enthält ein Fühlglied A für das magnetische Induktionsfeld des Installationsnetzes, einen Transistormotor B, einen Oszillator C und einen Umschalter D,

Wie Fig. 2 zeigt, enthält das Fühlglied A eine Induktionsspule 1 mit Ferritkern, um das räumliche Magnetfeld mit der Netzfrequenz zu erfassen. Ferner sind ein Verstärker 2 für das aufgenommene Signal, eine Differenzierstufe 3 mit RC-Glied zur Umwandlung der rechteckigen Ausgangsspannung des Verstärkers 24i Triggerimpulse und ein Frequenzteiler mit einem astabilen Multivibrator vorgesehen. Der Frequenzteiler setzt die Impulsfrequenz auf ein Viertel der Netzfrequenz herab.

Der freilaufende Transistormotor B besteht aus einem Transistor Tr, einer Feldwicklung 5 und einem vierpoligen Läufer 6.

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Der Oszillator C besteht aus einer Unruhe 7, die als frequenznormal dient, einer Triebspule 8, einer Fühlspule 8¹, einer Synchronisierspule 9t einem Transistor Tr und Schalttransistoren S und S . Die Synchronisierspule 9 ist magnetisch mit dem Läufer des Transistormotors gekoppelt und über einen Schalttransistor S- und einen Verstärkungstransistor Tr- elektrisch mit dem Frequenzteiler k verbunden.

ψ Der Umschalter D besteht aus einem monostabilen Multivibrator 10, der vom Differenzierkreis 3 beaufschlagt wird und dadurch eine Rechteckspannung mit konstanter Pulsbreite erzeugt, einem Widerstand 11 und einem Kondensator 12 zur Umwandung dieser Rechteckspannung in eine Gleichspannung und einem Schmitt-Trigger I3 mit den Transistoren Tr und Tr. . Der Kollektor des Transistors Tr„ ist mit den Basiselektroden der Schalttransistoren S und S verbunden. Der Schalttransistor S, ist vom NPN-Typ, der Transistor S vom PNP-Typ, der Tran-

_k sistor S„ vom NPN-Typ. Wenn also das magnetische Induktionsfeld des Installationsnetzes normal ist, sind S geöffnet, S₂ gesperrt und S_ geöffnet, während im Falle einer Feldstörung S. und S_ gesperrt und S geöffnet sind.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer verbesserten Ausführungsform der Uhr nach Fig. 1. Sie besitzt zusätzlich einen RCOszillator 35 und ein Anzeigegerät 37 für Batteriespannung

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und magnetische Feldstärke. Der RC-Oszillator 35 empfängt ein Signal von etwa 50 oder 60 Hz (Netzfrequenz), das vom äußeren Induktionsfeld abgeleitet ist, und erzeugt daraus eine Sinusschwingung mit genau 50 oder 60 Hz. Diese wird in einem Pulsformer 36 in eine Rechteckschwingung verwandelt. Mittels des Spannungs- und Magnetfeldanzeigegerätes läßt sich die magnetische Xnduktionsfeldstärke am Aufstellungsort der Uhr überwachen.

Dem RC-Oszillator 35 ist bei dieser Ausführungsform ein Begrenzer 3^ vorgeschaltet, dessen Aufbau und Wirkungsweise weiter unten erläutert wird. Die Eingangsspannung für den Umschalter wird am Ausgang des Verstärkers 2 abgenommen und über einen weiteren Verstärker 38 und einen Differenzierkreis 39 auf den monostabilen Multivibrator 10 gegeben. Ein Spannungsregler 33 liefert die Betriebsspannungen für diejenigen Stufen, die besonders konstante Spannungen benötigen.

Aufbau und Wirkungsweise dieser Synchronuhr werden nun im einzelnen an Hand der Fig. kA und kB erläutert.

Der Induktionsspule 1 mit Eisenkern ist ein so gewählter Kondensator C„ parallel geschaltet, daß der gebildete LC-Kreis auf die Netzfrequenz abgestimmt ist.

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Wenn die magnetischen Kraftlinien des elektromagnetischen Feldes die Induktionsspule schneiden, wird eine Sinusspannung mit der Netzfrequenz in der Spule induziert. Diese sehr schwache Signalspannung wird auf die Basis des Transistors T in Emitterschaltung gegeben, so daß an dessen Kollektor eine verstärkte Spannung abgenommen werden kann. R„ ist ein Vorwiderstand, R„ der Kollektorwiderstand, R. der Emitterwiderstand und T eine Vorspannungsdiode zur ψ Temperaturkompensation. C. und C_ sind Uberbrückungskondensatoren. Die vom Kollektor des Transistors T abgenommene Spannung wird in den Transistoren T_ und T, weiter verstärkt, Hierbei sind R , R , Rg und R₁₀ Vorwiderstände, R_ und R₁₁ sind Kollektorwiderstände, R_Q und R₁₀ sind Emitterwiderstände, Cq, C und C sind Kopplungskondensatoren und Cq und C₁₁ Uberbrückungskondensatoren. Diese Bauelemente bilden den Signalverstärker 2.

Ein Transistor T_, Vorwiderstände R₁ und R₁ . , ,die Kompensationsdiode Tg, Kollektorwiderstände R₁- und R g, ein Emitterwiderstand R₁₇ und ein Überbrückungskondensator C „ bilden einen nichtlinearen Amplitudenbegrenzer Jk zum Abschneiden des Eingangssignals, so daß auf den RC-Oszillator 35 keine zu große Eingangsspannung gelangen kann.

Dieser RC-Oszillator besteht aus dem Transistor T , den Vorwiderständen R„_n» R₉₁ und VR , einer Temperaturkompensations-

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diode Tg, einem Kollektorwiderstand R-, einem Emitterwiderstand R , einem Uberbrückungskondensator C _r, einer Rückkopplungsleitung, Kondensatoren C .-, C und Cq und Widerständen R-i ο» VR- und R₁Q* Sie bilden einen Sinuswellenoszillator vom Phasenschiebertyp, worin die Schwingfrequenz durch den einstellbaren Widerstand VR₁, so gut wie möglich auf die Netzfrequenz eingestellt wird. Der einstellbare Widerstand VR dient zur Wahl des Arbeitspunktes auf der Kennlinie des Transistors T_.

Das Ausgangssignal des Amplitudenbegrenzers Jh wird über .den Kopplungskondensator C₁- auf die Basis des Transistor T₁₇ gegeben. Die Schwingfrequenz des RC-Oszillators wird dadurch mit dem Eingangssignal synchronisiert. Auf diese Weise kommt eine gewisse Siebwirkung zustande, d. h. selbst wenn das vom Fühlglied 1 aufgenommene Signal durch magnetische Storfeider oder aus sonstigen Gründen verzerrt ist, ergibt sich eine eindeutige Sinusschwingung.

Dies gilt aber nur, wenn keine allzu große Eingangsspannung auf die Basis des Schwingtransistors T gelangt; anderenfalls wird die Ausgangsspannung des RC-Ossillators verzerrt. Die Eingangsspannung desselben imiß deshalb auf einen Wert beschränkt bleiben, der so gering ist_s tvie es im Hinblick auf die Synchronisierung mit der Frequens des Eingangssignals

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noch vertretbar ist; hierbei sind Schwankungen der Betriebsspannung, der Umgebungstemperatur und Alterungserscheinungen zu berücksichtigen.

Um dies zu ermöglichen, ist der Amplitudenbegrenzer 34 vorgesehen, der in Fig. 5 (l) nochmals herausgezeichnet ist. Fig. 5 (n) zeigt die zugehörigen Ausgangskennlinien. Wie aus der Kennlinie A hervorgeht, beginnt die Sättigung der Kollektorspannung bei einer Eingangsspannung von l40 mV Die gesättigte Ausgangsspannung beträgt etwa 1,3 V . Da diese Spannung zu groß für den Eingang des RC-Oszillators ist, wird sie in den Kollektorwiderständen R undR ^
geteilt und ergibt dadurch eine maximale Eingangsspannung

von l40 mV gemäß Kurve B.
P-P

Nunmehr wird in der Beschreibung der Fig. 4 fortgefahren. Die Ausgangsspannung des RC-Oscillators 35 wird über den
Widerstand R . auf die Basis eines Emitterfolgers mit dem Transistor T_Q, dem Kollektorwiderstand R₂_ und dem Emitterwiderstand R_?g gegeben. Dieser Emitterfolger dient als Eingangsstufe des Rechteckformers 36, der einen zweistufigen nichtlinearen Verstärker mit den Transistoren T _ und T
enthält.

Die vom Emitter des Transistors T_ abgenommene Spannung wird über den Kopplungskondefisator G _ auf die Basis des Tran-

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sistors T _ gegeben. Dadurch wird der Transistor T _ kräftig übersteuert, so daß an seinem Kollektor eine Rechteckschwingung auftritt. Diese wird im Transistor T₁₁ abermals verstärkt und übersteuert, um die Rechteckform zu verbessern.

Die rechteckige Ausgangsspannung wird nach Spannungsteilung in den Kollektorwiderständen R~o u*¹** ^tZi ^au:^ die Differenzierstufe 3 gegeben. Diese besteht aus dem Kondensator C und dem Widerstand Rqg· Die so gebildete Triggerspannung gelangt über eine Kopplungsdiode D. zum Frequenzteiler k, der als bistabiler Multivibrator aufgebaut ist. Er besteht aus den Basis-Emitterstrecken der Transistoren T₁₂ und T „, dem Transistor T_n, , den Dioden D.. und D^, den Widerständen R„_o und R-, den Kondensatoren C . und C und den Kollektorwiderständen R„_ und

Hat die Netzfrequenz die Größe f, so kann sie durch vier geteilt werden, indem die Sperrzeit t des Transistors T mittels des Kondensators C . und des Widerstandes R~a ^so gewählt wird, daß sie auf einem passenden Wert zwischen 1 1

liegt.

D_ und D,- dienen zur Temperatur- und Spannungskompensation der* freien Schwingungsperiode des Frequenzteilers.

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Die AusgangsSpannung des Frequenzteilers(beispielsweise 15 Hz bei einer Netzfrequenz von 6O Hz) wird im Verstärkungstransistor T-. verstärkt und der verstärkte Strom fließt über die Synchronxsxerwicklung ,L , den Transistor T, _, den Widerstand R.. und den Transistor T-. zur Ma

In Fig. 6 sind der Frequenzteiler k, der Transistormotor und einige andere Teile mit mehr Einzelheiten dargestellt. Der Motor besitzt eine Triebspule L und eine Abnahmespule L . C„^ ist ein Kondensator zur Unterdrückung von Schwingungen, L die Synchronisierspule, Ik der Läufer des Motors, 15 und l6 Schnecke und Schneckenrad, 17 das Sekundenrad und 18 der Sekundenzeiger.

Ferner ist in Fig. 6 der ständig schwingende Normaloszillator C dargestellt. Er enthält eine Welle 19» die in Spitzenlagern 20 gelagert ist, eine Unruhfeder 21 und zwei Unruh-P scheiben 22 und 23· An diesen sind einander zugekehrte Magnete 2k und 25 befestigt, zwischen denen sich eine Triebspule 27 und eine Abnahmespule 28 befinden. Ferner sind noch Ausgleichsgewichte 26 vorgesehen.

Der Transistormotor ist im obigen Beispiel für eine Drehzahl von etwa 450 Umdrehungen in der Minute ausgelegt. Diese Drehzahl wird mittels der Synchronxsiersptile L^ auf ihrem genauen Wert gehalten. Die Drehzahl wird dann über das Ge-

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triebe 151 l6, 17 derart reduziert, daß der Sekundenzeiger 18 im richtigen Takt umläuft. Diese Betriebsweise gilt, so lange das mit der Netzfrequenz schwankende magnetische Induktionsfeld stabil bleibt. Im Falle einer äußeren Feldstörung oder eines Netzausfalls bleibt aber die Synchronisierfrequenz aus oder wird gestört, so daß der Transistormotor instabil weiterläuft.

Um dies zu vermeiden, wird im Fall einer äußeren Feldstörung der Transistor T₁_ von dem Umschalter in noch zu beschreibender Weise gesperrt; die vom Frequenzteiler k herkommende Synchronisierspannung mit der Frequenz I5 Hz bleibt also ganz aus. Gleichzeitig wird ein vom Oszillator C geliefertes Synchronisiersignal mit der Frequenz 15 Hz über den Schalttransistor T_n auf die Synchronisierspule L gegeben, so daß der Transistormotor nunmehr mit der Frequenz des Normaloszillators C synchronisiert wird. Dieser enthält im vorliegenden Beispiel außer der oben erwähnten Unruhe, die das eigentliche Frequenznormal darstellt, einen Transistor T und einen Blockkondensator C__, die mit der Triebspule 27 und der Abnahmespule 28 in bekannter Weise verbunden sind. Die Unruhe ist ständig in Betrieb.

Die Umschaltvorrichtung enthält einen Spannungsverstärker 38, ein Differenzierglied 39, einen monostabilen Multivibrator 10, einen Integrator 12 und einen Schmitt-Trigger I3. Ihre

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Arbeitsweise wird an Hand der Fig. 7 erläutert, worin A die Ausgangsspannung des Verstärkers 38, B den Spannungsverlauf an der Stelle a in Fig. k, C die Ausgangsspannung des monostabilen Multivibrators und D die Gleichspannung an der Stelle b in Fig. h zeigt.

Fig. 7 (l) bezieht sich auf die Arbeitsweise im normalen Magnetfeld, so daß die verstärkte Signalspannung regelmäßig ist, wie bei A gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der zusätzliche"Spannungsverstärker 38 mit den Transistoren T₁₇. bis T_?o vorgesehen, damit der monostabile Multivibrator auch bei der in Wohnungen herrschenden minimalen Feldstärke von

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2,5 x 10 Oersted sicher betrieben werden kann. Im Spannungsverstärker 38 wird das Eingangssignal so kräftig verstärkt, daß sich am Ausgang eine kräftige Rechteckspannung ergibt, die dann in eine Trigger-Spannung für den monstabilen Multivibrator verwandelt wird. Der Spannungsverstärker 38 ist vierstufig; seine Ausgangsspannung wird im Differenzierglied 39» bestehend aus Kondensator C und Widerstand R/-~, in die Trigger-Spannung gemäß B in Fig. 7 (l) verwandelt.

Am Ausgang des Multivibrators 10 ergibt sich dadurch ein Rechtecksignal mit einer der Netzfrequenz gleichkommenden Frequenz gemäß C in Fig. 7 (l) (konstante Pulsbreite mit konstanter Periode). Diese Rechteckspannung wird im Inte-

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grator 12 in eine Gleichspannung gemäß D in Fig. 7 (l) verwandelt. Der Integrator besteht aus dem Widerstand Rg und dem Kondensator C_oer. Wenn die Zeitkonstante dieses

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RC-Gliedes groß genug gewählt ist, ergibt sich eine nahezu konstante Gleichspannung aus der Rechteckspannung.

Die Gleichspannung wird auf die Basis des Schmitt-Triggers 13 gegeben, der die Transistoren T _ und Tg, sowie die Widerstände R^/: bis R__n enthält. Wenn das magnetische Induk-

OO (Ό

tionsfeld stabil ist, bleibt der Transistor T geöffnet und sperrt den Transistor Tg, wodurch Transistor T geöffnet bleibt, so daß die Synchronisierspule L von einem Strom

mit der Frequenz 15 Hz durchflossen wird, der mit der Netzfrequenz synchronisiert ist.

Nun trete eine Störung des äußeren Magnetfeldes auf; die entsprechenden Verhältnisse sind in Fig. 7 (n) dargestellt. Nach Kurve A sind die einzelnen Impulse der aus dem Eingangssignal gewonnenen Rechteckspannung unregelmäßig verteilt. Wenn diese Spannung in einer Trigger-Spannung umgewandelt w:J.rd, ergibt sich die Kurve B in Fig. 7 (il), bei der die Impulsspitzen teilweise fehlen. Der Multivibrator IO wird infolgedessen unregelmäßig angestoßen, wie Kurve C in Figi 7 (il) zeigt. Dadurch wird die Gleichspannung D, die den Mittelwert der Ausgangsspannung des Multivibrators IO darstellt, schwächer (s. Kurve D). Sinkt diese Gleichspannung

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unter einen bestimmten Schwellenwert, so kippt der Schmitt-Trigger, d. h. Transistor T wird gesperrt und Transistor T26 geöffnet. Das Kollektorpotential des Transistors T •-fällt von der Betriebsspannung des Kollektors nahezu auf Null, Dieses Potential gelangt auf die Basis des Transistors C , so daß dieser gesperrt wird. Der mit der Netzfrequenz synchronisierte Strom durch die Spule L wird also unterbrochen.

Der Kollektor des Schmitt-Triggers erhält seine Versorgungsspannung von einer konstanten Spannungsquelle, die bei Betrieb der ganzen Uhr mit einer Spannung von 3 Volt etwa 1,5 Volt ausmacht. Die Steuerspannung am Ausgang des Schmitt-Triggers beträgt also bei Öffnung des Transistors Tg etwa Null Volt und bei gesperrtem Transistor Tz- etwa 1,5 Volt. Diese Spannung ist zu niedrig, um die Schalttransistoren T und T_Q zu steuern. Um eine ausreichende Steuerspannung von etwa 3 Volt zu erhalten, wird der Kollektorausgangsstrom des Transistors T_o/: in den Transistoren T__ und, T _o verstärkt,

äO dl 2o

bevor er auf die Schalttransistoren T _q und T gegeben wird.

Wie erwähnt, ist der Transistor T₉/- gesperrt, solange das Magnetfeld stabil ist. In diesem Zustand ist der Transistor T geöffnet und Transistor Tg gesperrt. Die Transistoren T und T werden von der Kollektorspannung ( 3 Volt) des Transistors T „ gesteuert. Transistor T _ ist ein NPN-Transistor und T₀ ein PNP-Transistor. In diesem Fall wird Tran-

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sistor T gesperrt und T_o geöffnet. Somit fließt der Antriebsstrom der Unruhe im Normaloszillator von der Spannungsquelle (+ 3 Volt) über Transistor T _, Triebspule 27 (Fig. 6) und Transistor T„_ zur Masse, nicht aber durch die Synchronisierspule.

Wenn dagegen eine Störung des äußeren Magnetfeldes eintritt, werden die Transistoren T _ und Tg gekippt, so daß die Transistoren T_g und T „ geöffnet und die Transistoren T _ und T₂₇ gesperrt werden. Infolgedessen verschwindet die Steuerspannung vom Ausgang des Transistors Tq. Infolgedessen wird Schalttransistor T _Q gesperrt und Transistor To_n geöffnet. Dadurch fließt der Antriebsstrom der Unruhe nunmehr von der Spannungsquelle (+ 3 Volt) über die Synchronisierspule L , den Transistor T_n, die Antriebsspule 27 und den Transistor T zur Masse. Somit wird der Transistormotor synchron mit der Schwingfrequenz der Unruhe betrieben; letzter muß selbstverständlich so einreguliert sein, daß sie eine Frequenz von 15 Schwingungen in der Sekunde aufweist. Da die Unruhe kurzzeitig ein sehr genaues Frequenznormal ist, wird der Transistormotor weiterhin synchron mit der Normalfrequenz angetrieben, obwohl das äußere Magnetfeld gestört ist.

Fig. 7 (Hl) bezieht sich auf den Fall eines sehr schwachen .' ; oder ganz verschwindenden magnetischen Induktionsfeldes. In diesem Fall nimmt die Ausgangsspannung des Spannungsver-

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stärkers 38 die Form A in dieser Figur an, stellt also eine reine Sinusschwingung dar. Da sie innerhalb der Schaltung erzeugt wird, trägt sie keine unmittelbare Beziehung zu der Netzfrequenz und kann unberücksichtigt bleiben.

Demgemäß tritt in diesem Falle gemäß Kurve B in Fig. 7 (ill) am Ausgang des Differenziergliedes 39 keine Spannung auf, so daß auch der monostabile Multivibrator 10 keine Ausgangsspannung liefert. Somit wird die Ausgangsgleichspannung des Integrators 12 im wesentlichen gleich Null und der Schmitt-Trigger nimmt den gleichen Zustand wie im Falle der Fig. 7 (ll) ein, d. h. die Uhr wird -mit den Schwingungen der Unruhe synchroni si ert·

Der Widerstand R__ dient dazu, einen übermäßigen Stromfluß vom Piaspol der Spannungsquelle über die Synchronisierspule L , die Basisemitterstrecke des Transistors T_n und den

Transistor T„_o zu verhindern, wenn das Kollektorpotential 2o

von T„q verschwindet (T ο geöffnet).

Die Dioden T und T . dienen zum Schutz der Rechteck-Ausgangsspannung des monostabilen Multivibrators gegen Speisespannungsänderungen. Gleichzeitig bewirken diese Dioden eine leichte Amplitudenverringerung der Rechteckspannung, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Dadurch wird die Ausgangsgleichspannung des Integrators 12 herabgesetzt. Auf diese

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Weise werden Schwankungen der Schwellenspannung infolge einer Herabsetzung der Basisemitterspannung des Transistors T. kompensiert.

Sinkt die Umgebungstemperatur ab, so nimmt die Rechteckspannung und damit auch die Gleichspannung zu. Gleichzeitig wird die Basisemitterspannung des Transistors T erhöht, wodurch die Schwankung der Schwellenspannung kompensiert wird.

Der monostabile Multivibrator 10 ist an sich nicht unbedingt notwendig. Er ermöglicht aber eine größere Schwankungsbreite der Gleichspannung am Eingang des Schmitt-Triggers selbst bei einer verhältnismäßig geringen Störung des magnetischen Induktionsfeldes. Gleichzeitig läßt sich dadurch eine quasistationäre Rechteckschwingung unabhängig von dem Absinken der Batteriespannung und von TemperaturSchwankungen erzeugen. Auch Intensitätsänderungen des magnetischen Induktionsfeldes bleiben ohne Einfluß, solange die Feldstärke den festgesetzten Schwellenwert nicht unterschreitet.

Die Synchronisierung des Uhrwerks mit der Netzfrequenz soll möglichst wenig unterbrochen werden. Deshalb soll die Umschaltung erst unmittelbar vor dem Auftreten einer durch das aussere Feld bedingten Störung des Synchronisierstromes vorgenommen werden. Wenn nämlich die Arbeitsweise des Frequenzteilers

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des astabilen Multivibrators gestört wird, wirkt sich dies unmittelbar auf den Synchronisierstrom des Transistormotors aus.

"Zur besseren Überwachung des magnetischen Induktionsfeldes und der Batteriespannung ist bei der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 ein Anzeigegerät für diese beiden Größen vorgesehen. Es enthält einen Transistor Tg, einen Vorwiderstand " R/,_?» Kollektorwiderstand R, , Emitterwiderstand R. . , Dioden Dg und D,_o» Kopplungskondensator Cg, Schalter SW-I und SW-2 und ein Amperemeter hoher Empfindlichkeit.

Die verstärkte Ausgangsspannung des Transistors T. wird auf die Basis des Transistors T.g gegeben, um sie noch weiter zu verstärken. Dieses Signal wird den Gleichrichterdioden D und D₁₀. und dem Amperemeter über den Kopplungskondensator C /-zugeführt. Ist die Feldstärke hoch, so tritt am Kollektor des Transistors T₁,- eine große Ausgangsspannung auf, die nach Einweggleichrichtung in der Diode D _Q einen entsprechenden Strom durch das Amperemeter erzeugt und umgekehrt. Da dem Amperemeter kein Kondensator parallel liegt, behält das Instrument eine gute Dämpfung bei, folgt allerdings auch den Veränderungen der Magnetfeldstärke um etwa eine halbe Periode der Signalfrequenz verzögert.

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Durch passende Ausbildung der Schalter SW-I und SW-2 ist es möglich, das Amperemeter sowohl zur Ablesung der Batteriespannung, als auch zur Ablesung der Induktionsfeldstärke heranzuziehen.

Ferner ist in Pig. 3 noch ein Spannungsregler 33 vorgesehen, der gemäß Fig. k aus dem Widerstand R₁, den Dioden D bis D und dem Kondensator C₁ besteht. Am Ausgang B dieses Spannungsreglers ergibt sich eine konstante Spannung von 1,5 Volt selbst bei Schwankungen der Batteriespannung zwischen etwa 2 Volt und 3 Volt.

Fig. 8 (i) zeigt eine Abänderung der beschriebenen Schaltung, bei der ein Filter F, das auf die Netzfrequenz abgestimmt ist, zwischen dem Fühlglied für. das magnetische Induktionsfeld und dem Spannungsverstärker angeordnet ist. Bei dieser Schaltung kann nur eine Spannung mit der gewünschten Frequenz so weit spannungsverstärkt werden, daß sie den Transistormotor antreiben kann. Das Frequenzverhalten dieses Filters ist in Fig. 8 (ll) dargestellt.

Fig. 9 zeigt schematisch die räumliche Anordnung einer erfindungsgemäßen Uhr bei abgenommener Rückwand. In dem Gehäuse _i 29 befindet sich die zur Abnahme des äußeren Magnetfeldes dienende Induktionsspule 1. Das Uhrwerk ist auf einer Grundplatte 30 aufgebaut. Man erkennt die Unruhwelle 19»

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Lager 20, die Unruhfeder 21, die Unruhscheiben 22 und 23, die Magnete 2k und 25, die Ausgleichgewichte 26, den Läufer l*f des Transistormotors, die Schnecke 15 und das Schneckenrad l6, das Sekundenrad 17 und den Sekundenzeiger 18. X, Y und Z bedeuten die Achsenrichtungen der Induktionsspule 1, der Unruhwelle 21 und des Motorläufers 14.

Da der Transistormotor und der Unruhschwinger Magnete ent-™ halten, ist beim Betrieb der elektrischen Uhr eine magnetische Störung durch die Drehung und Schwingung dieser Teile zu erwarten. Solche magnetischen Felder werden (bei einer Frequenz von 15 Hz) von der Induktionsspule aufgenommen. Um die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Teile möglichst gering zu halten, sind die Induktionsspule, die Wicklung des Transistormotors und die Unruhwelle so angeordnet, daß ihre Achsen parallel zueinander verlaufen; die magnetisch aktiven Elemente sind etwa in der Mitte der erwähnten Bauteile angeordnet, d. h. auf der zu den Achsen X, Y und Z senkrechten Linie Z¹, Y¹, X¹. Mit dieser Anordnung kann die beim Betrieb auftretende magnetische Interferenz zwischen der Antriebsspule des Transistormotors und derjenigen des Unruhschwingers weitgehend vermieden werden; auf diese Weise wird erreicht, daß die Arbeitsweise des Uhrwerks von Netzausfällen, Feldstörungen oder schwachen Magnetfeldern völlig frei ist und eine hohe Anzeigegenauigkeit gestattet.

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Claims

MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD.,

1048 Oaza Kadoma, Kadoma-shi,

Osaka, Japan

Patentansprüche

JL^ Induktiv mit der Netzfrequenz synchronisierte elektrische Uhr mit einem Fühlglied für das magnetische Streufeld des elektrischen Installationsnetzes und einem von dem verstärkten Ausgangssignal des Fühlgliedes beaufschlagten Transistormotor zum Antrieb der Uhr, gekennzeichnet durch einen gesonderten Oszillator (c), der ständig mit einer der Netzfrequenz gleichkommenden Nennfrequenz schwingt, und eine Umschaltvorrichtung (d), die bei Störungen und Ausbleiben des Induktionsfeldes der Netzfrequenz eine Synchronisierspule (9) des Transistormotors (b) mit dem Oszillator (c) statt mit dem Fühlglied (A) verbindet.
2. Elektrische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (d) ein Differenzierglied (3t39) für das vom Fühlglied (l) aufgenommene Signal, einen an das Differenzierglied angeschlossenen monostabilen Multivibrator (lO), einen Integrator (l2) für das Ausgangssignal des Multi-

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vibrators und einen von Ausgangsaignal des Integrators betätigten Schmitt-Trigger (13) enthält, sowie daß an den Schmitt-Trigger Schaltelemente^, bis S ) angeschlossen sind, die in den Verbindungeleitungen einerseits zwischen dem Transietormotor (B) und dem Oszillator (c), andererseits zwischen dem Traneistormotor und dem Fühlglied (a) liegen und je nach dem Zustand des Schmitt-Triggers abwechselnd geöffnet oder gesperrt sind.
3. Elektrische Uhr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzierglied (39) ein Spannungsverstärker (38) vorgeschaltet ist.
k. Elektrische Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlglied für das magnetische Induktionsfeld einen Spannungsverstärker (2), einen Amplitudenbegrenzer (3*0 für die Ausgangsspannung des Spannungs-Verstärkers, einen HO-Oszillator (35), dem das begrenzte Signal zugeführt wird, einen an den RC-Oszillator angeschlossenen Rechteckspannungsformer (36), ein mit diesem verbundenes Differenzierglied (3) und einen von dem Differenzierglied beaufschlagten Frequenzteiler (k) umfaßt·
5. Elektrische Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Meßgerät (37), das mittels eines Schalter· (SV-1, SW-2) wahlweise die Intensität dea magnet!- sehen Induktionsfeldes oder die Batteriespannung anzeigt,

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6. Elektrische Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Aufnehmer (l) für das magnetisch· Induktionsfeld und dem Signalverstärker (2) ein auf die Netzfrequens abgestimmtes Filter (f) vorgesehen ist.
7. Elektrische Uhr nach eine· der vorhergehenden Anspruch·, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistormotor «in Freilauf er ist, daß der gesonderte Oszillator (c) ein Unruhschwinger mit einer Triebspule (27), einer Abnahmespule (28), einem Transistor (^To₂) ¹^^{111 einer mit der} Fühl- und

der Abnahmespule gekoppelten Unruhe (22,' 23^ ist, sowie

i daß die magnetisch mit dem Läufer (l4) des Transistormotors gekoppelte Synchronisierspule (L ) mit den Ausgängen des Fühlgliedes (Α) und des Oszillators (c) über Schaltglieder (Τ._, T„_o) verbunden ist, die vom Ausgangssignal der Umschalt einrichtung (d) abwechselnd geöffnet und gesperrt gehalten werden.
8. Elektrisch« Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (X, Y, Z) der Abnahmespule (l) für das magnetische Induktionefeld, der Unruhe (22, 23) des Oszillators und des Läufers (l4) des Transistormotors parallel zueinander in der gleichen Ebene angeordnet sind·

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