DE2312412C2 - Verfahren zur Synchronisation eines elektrodynamischen Uhrenantriebs - Google Patents

Description

p ren erfordern in vielen Fällen auch besondere

Ij mechanische Eingriffe in den Uhrenantrieb. Dieser

H muß beispielsweise auf eine zu hohe Ganggeschwin-

P digkeit eingestellt werden, die dann in regelmäßigen

si Abständen durch die Impulse eines Quarzgenerators

if auf die Normal frequenz eingestellt wird. Häufig ist

J[ es erforderlich, besondere Anschläge in dem

^₁ Schwingsystem vorzusehen, die ein Überschwingen

"__ über einen vorgegebenen Wert hinaus vermeiden, so

L· daß der Bereich möglicher Frequenzändeningen he-

/ grenzt bleibt.

U* Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein

Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, L mit dem bei geringem elektronischem Aufwand eine

;% zuverlässige Synchronisation erreicht wird, ohne daß

fee zusätzliche mechanische Eingriffe in den Uhren-

% antrieb erforderiich sind oder der Bedarf an elektrischer Energie nennenswert erhöht wird.
'f Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

löst, daß ein in einem der Stromkreise angeordnetes,

den Stromkreis öffnendes bzw. schließendes Schalterelement durch Synchronisationsimpulse der Frequenz 2" ■ j für a = 1, 2, 3 ... derart periodisch gesteuert wird, daß der Arbeitsstromkreis mindestens während der gesamten zeitlichen Dauer der bei einem Vorbeilauf der Induktivitäten an den Permanentmagnetanordnungen in den Induktivitäten induzierten Stromimpulse wirksam und mindestens während des dritten Teils der Periodendauer der Synchronisationsimpulse unwirksam geschaltet ist.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, ohne ei;.3e besondere Auswertung eines Gangfehlers beispielsweise durch Phasenvergleich und ohne besondere mechanische Eingriffe in das mechanische Schwingsystem exakt die mechanische Eigenfrequenz des Schwingsystems einzuhalten, da Abweichungen von dieser Frequenz automatisch korrigiert werden. Dies erfolgt durch Ausnutzung der bei den Induktionsvorgängen in den Induktivitäten auftretenden Spannungs- bzw. Stromverläufe. Dabei zeigt sich, daß im synchronisierten Zustand und in einem Bereich der meisten positiven und negativen Abweichungen eine minimale Energie zugeführt wird, während nur bei positiven und negativen größeren Abweichungen von diesem Zustand höhere Energiewerte zugeführt werden müssen. Darin besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber bisherigen Synch ronisationssystemen, denn bei diesen wird bei zu langsam laufender Uhr eine höhere zusätzliche Energiemenge benötigt als im Synchronzustand, während bei zu schnell laufender Uhr eine, geringere zusätzliche Energiemenge benötigt wird als im Synchronzustand; eine zusätzliche Energie muß somit stets zugeführt werden.

Durch die DE-OS 2 139 428 ist zwar bersits ein Verfahren zur Synchronisierung eines elektrodynamischen Uhrenantriebes bekannt, bei dem ein den Steuerstromkreis eines Schalttransistors öffnendes bzw. schließendes Schaltcrelement durch Synchronisationsimpulse der Frequenz η · j für /1 = 1 oder 2 gesteuert wird. Abgesehen davon, daß dieses Verfahren nicht mit einer Rückkopplungsschaltung arbeitet, eignet es sich für solche mechanischen Schwingsysteme, deren Frequenz stark amplitudenabhängig ist. Diese Systeme benötigen zur Verwirklichung der amplitudenabhängigen Frequenz zusätzliche mechanische Elemente, die bei einer Schaltung der bei der Erfindung in Betracht kommenden Art infolge eines anderen Funktionsprinzips gerade vermieden werden.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß bei Antriebssystemen mit zwei Induktivitäten und zwei Permanentmagnetfeldern in ihrer Polarität mit der Schwingungsrichtung des Schwingers wechselnde Stromimpulse in den Induktivitäten induziert werden und Impulse der einen Polarität doppelt, der anderen Polarität einfach auftreten. Die doppelt auftretenden Impulse liegen dabei symmetrisch zu dem Zustand größter kinetischer Energie des mechanischen Schwingsystems. Die Erfindung ermöglicht nun einerseits die normale Zuführung der zur Aufrechterhaltung der Schwingungsbewegung erforderlichen Energie zum Zeitpunkt des einfachen Impulses, der im folgenden auch als Primärimpuls bezeichnet wird, während die bei einem Gangfehler erforderliche Synchronisation mit mindestens einem pro Schwingungsperiode zusätzlich vorhandenen Synchronisationsimpuls durch Ausnutzung eines der beiden Doppelimpulse durchgeführt wird, die im folgenden auch als Sekundärimpulse bezeichnet werden. Da diese Sekundärimpulse symmetrisch zu einem Geschwindigkeitsmaximum des mechanischen Schwingsyslems liegen, ist es möglich, in dem Verfahren nach der Erfindung bei einem Gangfehler des Schwingsystems und einer damit verbundenen zeitlichen Verschiebung der mechanischen Schwingung gegenüber den Synchronisationsimpulsen jeweils nur denjenigen Sekundärimpuls zur Zuführung zusätzlicher Energie auszunutzen, der bei zunehmender oder bei abnehmender Geschwindigkeit auftritt. Damit ist in einfacher Weise eine Möglichkeit gegeben, eine zusätzliche Energiezufuhr im Sinne einer Beschleunigung oder einer Verzögerung der Schwingungsbewegung hervorzurufen, denn bei zeitlichen Verschiebungen vorgenannter Art kann jeweils nur einer der beiden Sekundärimpulse wirksam werden. Vollkommen selbsttätig erfolgt die Synchronisation also durch eine zeitliche Auswahl von ohnehin vorhandenen, jedoch bisher nicht zur Synchronisation genutzten zusätzlichen Impulsen. Es ist somit keine Bemessung der zusätzlich zugeführten Energiemenge proportional einer Phasenverschiebung erforderlich.

Die Frequenz der Synchronisationsimpulse hat den Wert 2" · /. Dies bedeutet, daß sie mindestens gleich der doppelten Frequenz des mechanischen Schwingsystems ist. Ebenso kann sie jedoch auch den 4fachen oder den 8fachen Wert haben. Praktische Grenzen werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, die auch die weitere Erläuterung des Einflusses der Impulslänge enthält.

Die Genauigkeit, die bei einer Uhr mit einem Synchronisationsverfahren nach der Erfindung erzielt wird, kann bei quarzgesteuerten Synchronisationsimpulsen den Wert erreichen, der an sich nur durch Quarzuhren erreicht wird, die direkt gesteuerte Schrittmotoren aufweisen. Dabei ist es jedoch möglich, ein relativ billiges Antriebssystem zu verwenden, das mechanisch nicht geändert werden muß. Somit kann ein Verfahren nach der Erfindung bei relativ einfachen Uhren angewendet werden, indem lediglich eine zusätzliche elektronische Anordnung eingebaut wird, die die Synchronisationsimpulse liefert und in das Antriebssystem einspeist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein AusführunesbeisDiel der Erfindune wird im

folgenden an Hand der Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeigneten Schaltungsanordnung,

Γ i g. 2 charakteristische Kurvenverläufe für methanKehe uiid elektrische Größen bei einer Anordnung nach Fig. 1,

F i ρ 3 Sigrialverläufe in einer Anordnung nach F i g. ΐ für den Synchronzustand und für positiven und negativen Gangfehler und

F i g. 4 eine Darstellung unterschiedlicher Ges.chwindigkeitsverläufe eines Llhrenantriebs für den Synchronzustand und für positiven und negativen Gangfehler.

In F i g. 1 ist ein synchronisierter elektrodynamischer Antrieb dargestellt. Zur Synchronisation ist der Antrieb mit einer zusätzlichen Schaltung verbunden, die im wesentlichen aus einem in engen Grenzen frequenzvariablen Ouarzgenerator 10 und einer diesem nachgeschalteten Impulsformerschaltung »0 IS besteht. Die lmpulsformerschallung 15 kann in bekannter Weise als integrierte Schaltung aufgebaut sein und enthält einen gegengekoppelten Verstärker II. einen Frequenzteiler 12, eine monostabile Kippschaltung 13 und ein Schalterelement 14, das im »5 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Feldeffekttransistor ist. Innerhalb der Impulsformerschaltung

15 werden die Schwingungen des Quarzgenerators 10 relativ hoher Frequenz nach Verstärkung durch den Frequenzteiler 12 auf eine Frequenz herabgeteilt, die in der folgenden Beschreibung mit dem doppelten Wert der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingsystems vorausgesetzt wird. Die monostabile Kippschaltung 13 dient zur hinsichtlich ihrer Bedeutung noch zu beschreibenden Bemessung der Länge rechteckförmiger Impulse, die der Frequenzteiler 12 abgibt und die den Feldeffekttransistor 14 für jeweils die Impulsdauer in den leitenden Zustand steuern. Der Feldeffekttransistor 14 schaltet den Emitter eines Schalttransistors 17 im Rhythmus der Rechteckimpulse an den negativen Pol einer Batterie 16, so daß der Schalttransistor 17 seinen Arbeitsstromkreis bei entsprechender Ansteuerung seiner Basis für die Zeit wirksam schließen kann, in der ein Rechteckimpuls den Feldeffekttransistor 14 in den leitenden Zustand versetzt. Der Schalttransistor 17 enthält in seinem Arbeitsstromkreis ferner eine Antriebsspule Ϊ8. die wiederum mit dem positiven Pol der Batterie

16 verbunden ist. Im Basisstromkreis des Schalttransistors 17 ist eine Steuerspule 19 angeordnet, die mit der Antriebsspule 18 im vorliegenden Fall auch induktiv gekoppelt ist. Eine derartige Kopplung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Beispielsweise kann der elektrodynamische Antrieb so aufgebaut sein, daß die Steuerspule 19 an einer Stelle des mechanischen Schwingsystems angeordnet ist, die zu der Position der Antriebi>spule 18 einen Abstand hat, wobei allerdings gewährleistet sein muß, daß der Steuerimpuls im Moment größter kinetischer Energie des mechanischen Schwingers auftritt. Im Steuer-Stromkreis des Schalttransistors 17 ist der Basis ferner ein RC-G\\ed 23 vorgeschaltet, das in Antriebssystemen der hier beschriebenen Art in bekannter Weise einerseits das erforderliche Basispotential erzeugt, andererseits die Steuerimpulse wechselstrommäßig auf die Basis koppelt. Ein Kondensator 24 verbindet den Kollektor des Schalttransistors 17 mit dessen Basis und neutralisiert elektrische Schwingungen mit einer durch die elektrischen Schaltelemente bedingten Frcq.;_..?..

Der mechanische Teil des in F i g. 1 gezeigten Antriebs besteht aus einem mechanischen Schwinger 20, der beispielsweise eine Unruh sein kann und zwei Permanentmagnetanordnungen 21 und 22 trägt. In Fig. 1 ist diese mechanische Anordnung zusätzlich in einem vergrößerten Seitenschnitt gezeigt, woraus hervorgeht, daß die beiden Spulen 18 und 1Ϊ unmifelbar aneinander liegen können und durch zwei Magnetfelder hindurch bewegt werden, die mit Permanentmagneten 21 und 21' und 22 und 22' erzeugt wcrilsn. Wenn der mechanische Schwinger 20 seine Schwingungsbcwegung durchführt, so werden die beiden Magnetanordnungen 21 und 22 während jeder Hainschwingung einmal an den beiden Spulen 18 und 19 vorbeibewegt, so daß in diesen Stromimpulse induziert werden. Ebenso können auch die Spulen an feststehenden Permanentmagneten vorbeibewegt werden.

Das Prinzip der Erfindung kann nur dann richtig verstanden werden, wenn zuvor Bezug auf die prinzipiellen Bewegungsabläufe und den Verlauf der induzierten Impulse genommen wird. In Fig. 2 sind zwei grafische Darstellungen gezeigt, die einerseits mechanische Größen, andererseits eine elektrische Größe über der Zeit verdeutlichen. Aus dem oberen Teil der Fig. 2 geht hervor, in welcher Weise die Geschwindigkeit ν und die Bewegungsamplitude a des mechanischen Schwingers 20 im Zusammenhang stehen. Es ist zu erkennen, daß der mechanische Schwinger 20 gemäß der Kurve für seine Bewegungsamplitude α gegenüber einer zentralen Ruhelage, die der in F i g. 1 vergrößert dargestellten Position entspricht, in zwei unterschiedlichen Richtungen ausgelenkt wird. Diese Bewegung ist der Einfachheit halber als eine sinusförmig verlaufende Bewegung dargestellt. An den Punkten der Bewegungsumkehr, an denen die Permanentmagnetanordnungen 21 und 22 gegenüber den Spulen 18 und 19 ihren jeweils größten Abstand entsprechend der Spitzenamplitude haben, hat die Geschwindigkeit ν der Schwingungsbewegung den Wert Null. Umgekehrt wird die Schwingungsgeschwindigkeit ν und damit die kinetische Energie maximal, wenn der mechanische Schwinger 20 jeweils die zentrale Position, die Ruhelage, durchläuft.

Im unteren Teil der F i g. 2 ist der Verlauf einer Spannung V dargestellt, die in den beiden Spulen 18 und 19 induziert wird. Dabei ist die durch die Betriebsspannung erzeugte Gleichspannungskomponente unberücksichtigt gelassen. Der Verlauf dieser induzierten Spannung ist für elektrodynamische Uhrenantriebe mit Zweimagnetsystem bekannt. Es ist zu erkennen, daß abhängig von der Bewegungsrichtung des mechanischen Schwingers 20 eine Spannung induziert wird, deren Vorzeichen durch die Bewegungsrichtung des mechanischen Schwingers 20 bestimmt ist. Der Verlauf der Kurve für die induzierte Spannung ist leicht verständlich, wenn berücksichtigt wird, daß bei einer Relativbewegung einer Spule der in F i g. 1 gezeigten Art an zwei Permanentmagneten vorbei zuerst die eine Spulenhälfte an dem einen Permanentmagneten vorbeibewegt wird, wonach kurzzeitig beide Spulenhälften im Magnetfeld beider Permanentmagnete angeordnet sind und worauf schließlich wieder ein Einzelimpuls folgt, der durch die zweite Spulenhälfte am zweiten Permanentmagneten erzeugt wird. Auf dic~e Weise ergibt sich ein Kurven-

zug. der aus jeweils drei Spannungsimpulsen besteht, von denen der mittlere gegenüber den beiden äußeren entgegengesetztes Vorzeichen und größere Amplitude aufweist. Die für die nächste Halbschwingung folgenden Impulse haben gegenüber den jeweils vorhergehenden entgegengesetzte Polarität. Der mittlere Impuls großer Amplitude wird jeweils dann erzeugt, wenn sich der mechanische Schwinger durch seine zentrale Position bewegt und der Zustand größler kinetischer Energie vorliegt.

Hs ist nun leicht zu erkennen, daß die Zuführung zusätzlicher Energie an ein solches Antriebssystem bei einer vorbestimmten Zuführungs- bzw. Slromflußrichtung nur dann erfolgen kann, wenn ein Spannungsimpuls einer von beiden Polaritäten vorliegt. Wenn die beiden Spulen 18 und 19 der in F i g. 1 gezeigten Anordnung in der zentralen Position des mechanischen Schwingers 20 ungeordnet sind, so wird in der Steuerspule 19 jeweils beim Durchgang durch die zentrale Position ein Steuerimpuls erzeugt, »o der den Schalttransistor 17 an seiner Basis leitend steuern kann, sofern er die dazu geeignete Polarität aufweist. Somit werden jeweils einmal pro Schwingungsperiode des mechanischen Schwingers ein zentraler Antriebsimpuls (Primärimpuls) sowie zwei Sekundärimpulse in der Antriebsspule 18 erzeugt.

Die Synchronisierung des in F i g. 1 gezeigten elektrodynamischen Uhrenantriebs erfolgt in Abhängigkeit von den rechtcckförmigen Impulsen, die den Feldeffekttransistor 14 zweimal pro Schwingungsperiodc leitend steuern. Zur Erläuterung der dabei wichtigen Z'isammenhänge dienen die Fig. 3 und 4, die Kurvenverläufe für die charakteristischen Größen eines elektrodynamischen Antriebssystems für den Synchronzustand, einen positiven Gangfehler und einen negativen Gangfehler zeigen. In F i g. 4 ist dabei für diese drei Zustände jeweils die Schwingungsgeschwindigkeit vl, ν Z, ν 3 dargestellt, während F i g. 3 die zugehörigen Signalverläufe in der Schaltung des Schalttransistors 17 zeigt. Ferner ist in F i g. 3 ein für alle Darstellungen gemeinsamer Verlauf der Basisspannung des Schalttransistors 17 dargestellt.

Fig. 3 zeigt bei B die Basisspannung des Schalttransistors 17, die einen Verlauf hat, wie er bereits an Hand der F i g. 2 für die induzierte Spannung U beschrieben wurde. Der in F i g. 3 gezeigte Verlauf B sowie die übrigen Signalverläufe sind ohne Berücksichtigung der jeweiligen Gleichspannungskomponente dargestellt, da lediglich die Wechselvorgänge für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Die in Fig. 3 gezeigten SignalverläufeB, Cl, Dl entsprechen dem synchronisierten Zustand, der zunächst beschrieben werden soll. Für das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel, das einen npn-Transistör 17 enthält, ergibt sich der leitende Zustand des Transistors, wenn die induzierte Spannung einen positiven Spannungsimpuls an der Basis erzeugt. Dies bedeutet, daß der Signalverlauf B in F i g. 3 jeweils für die nach oben gerichteten Impulse leitende Zustände des Schalttransistors 17 erzeugen kann. Entsprechend ist der Signalverlauf C1 dargestellt, der die Spannung am Kollektor des Schalttransistors 17 zeigt. Im jeweils leitenden Zustand des Schalttransistors 17 ergeben sich Spannungseinbrüche, die negative Spannungsimpulse im Kurvenverlauf Cl erzeugen. Die Amplituden dieser negativen Spannungsimpuise entsprechen den Amplituden der Spannungsimpulse an der Basis des Schalttransistors 17, so daß für jede zweite Halbschwingung des mechanischen Systems ein starker negativer Spannungsimpuls im Verlauf Cl auftritt, der einen entsprechend starken Stromimpuls in der Antriebsspule 18 zur Folge hat. In diesem Moment wird dem mechanischen Schwingsystem Energie ausreichender Größe zugeführt, um dessen an sich gedämpfte Schwingung in Form einer ungedämpften Schwingung aufrechtzuerhalten.

Der Signalverlauf Dl in F i g. 3 kennzeichnet die Funktion der rechteckförmigen Synchronisationsimpulse, die den in Fig. 1 gezeigten Feldeffekttransistor 14 jeweils in den leitenden Zustand steuern, so daß während der jeweiligen Impulszeit der Schalttransistor 17 und damit der Arbeitsstromkreis wirksam geschaltet werden kann. Im Synchronzustand des gesamten Systems ergeben sich dann im Antriebsstromkreis die in dem Signalverlauf Dl gezeigten Stromimpulse, die entsprechend den Spannungsinipulsen des Verlaufs C1 eine unterschiedliche Höhe haben. Die Synchronisationsimpulse sind im Signalverlauf D1 gleichfalls dargestellt, der durch sie gekennzeichnete Stromwert ist jedoch im gesperrten Zustand des Schalttransistors 17 sehr gering und liegt in der Größenordnung von Leckstrom werten. Die Darstellung in F i g. 3 ist demnach hinsichtlich Zeit und Amplitudenwerten keineswegs maßstabsgerecht, sondern lediglich schematisch, um die Zusammenhänge der Erfindung zu verdeutlichen.

Da dem Antriebssystem jeweils dann Energie zuzuführen ist, wenn der Zustand größter kinetischer Energie erreicht ist, fällt der Zeitpunkt des größeren Primärimpulses P mit dem Durchgang des mechanischen Schwingers durch die zentrale Position, d. h. die Ruhelage, zusammen. Im folgenden werden die in den Signalverläufen D dargestellten Einzelimpulse als Primärimpulse P und die kleineren Doppclimpulse als Sekundärimpulse 51 und Sl bezeichnet. Es ist ferner zu erkennen, daß die Sekundärimpulse Sl und S 2 symmetrisch zu einem Zustand größter kinetischer Energie liegen, d. h., sie treten zeitlich symmetrisch zu jedem zweiten Durchgang des mechanischen Schwingers durch seine zentrale Position auf, also dann, wenn die Bewegung des Schwingers hinsichtlich ihrer Amplitude die Richtung wechselt, d. h., der erste Sekundärimpuls 51 unterstützt die Beschleunigung des Schwingers, während der zweite Sekundärimpuls 52 die nach dem Durchlaufen der zentralen Position vorhandene Verzögerung des mechanischen Schwingers unterstützt. Auf diese Weise ergibt sich zwischen beiden Sekundärimpulsen 51 und 52 im Synchronzustand eine kompensierende Wirkung, sofern beide Impulse gleiche Energiewerte haben.

Es wird nunmehr der Fall betrachtet, daß das mechanische Schwingsystem durch äußere Einflüsse zu einem positiven Gangfehler tendiert, d. h., daß die durch das System angetriebene Uhr zu einem zu schnellen Gang neigt. In diesem Fall treten alle elektrischen Vorgänge, die durch Induktionswirkungen erzeugt werden, zeitlich gesehen, früher als die Synchronisationsimpulse auf, so daß der in F i g. 3 gezeigte Zustand der Signalverläufe C 2 und D 2 eintritt. Hierbei erfährt die Kollektorspannung des Schalttransistors 17 eine Verzerrung, da die Synchronisationsimpulse, wie der Verlauf D 2 ;:eigt, nur einen Teil des jeweiligen Antriebsimpulses wirksam schalten können. Dadurch wird einerseits der Primärimpuls P hinsichtlich des Zeitpunktes seines Ein-

setzens verzögert, wodurch dem Schwingsystem die zur Aufrcchterhaltung der Schwingung erforderliche Energie später zugeführt wird und eine Verlängerung der Schwingungsperiode im Sinne einer Verringerung der Schwingungsfrequenz eintritt, andererseits wird aber auch der Sekundärimpuls 51 durch die verspäteten Synchronisationsimpulsc unterdrückt, so daß nur noch der Sekundärimpuls 52 wirksam ist. Dieser Sekundärimpuls 52 wird nicht mehr durch einen Sekundärimpuls 51 kompensiert, so daß dem Schwingungssystem Energie zu einem Zeitpunkt zugeführt wird, der zeitlich nach einem Zustand maximaler kinetischer Energie liegt und ebenfalls zu einer Verlängerung der Schwingungsperiode und Verringerung der Schwingungsfrequenz führt.

Für den Fall eines zu langsam laufenden Antriebs stellen sich die entgegengesetzten Wirkungen ein. Hier wird nur noch der jeweilige Sekundärimpuls 51 wirksam, während der Sekundärimpuls 52 unterdrückt wird. Der Primärimpuls P wird infolge der zu späten mechanischen Vorgänge gegenüber den Synchronisationsimpulsen vorzeitig abgeschnitten. Die entsprechenden Verläufe sind in Fig. 3 unter C3 und D3 dargestellt. Der Primärimpuls P wird durch die Rückflanke der Synchronisationsimpulse vorzeitig beendet, wodurch der Punkt der Zuführung der zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderlichen Energie zeitlich vorverlegt wird. Dadurch wird die Schwingungsperiode verkürzt und die Frequenz erhöht. Außerdem sind die Synchronisationsimpulse, wie aus dem VerlaufD3 hervorgeht, zeitlich gegenüber den Spannungsimpulsen des Verlaufs C3 verfrüht, so daß dadurch der Sekundärimpuls 52 eliminiert wird und der Sekundärimpuls S1 zusätzliche Energie vor dem jeweiligen Durchgang des mechanischen Schwingers durch die zentrale Position liefert. Dies führt ebenfalls zu einer Verkürzung der Schwingungsperiode bzw. Erhöhung der Frequenz.

Mit dem vorstehend beschriebenen Prinzip läßt sich also eine selbsttätige Synchronisation positiver und negativer Gangfehler erreichen, indem bei jeglicher Neigung zum Schnellauf oder zum Langsamlauf automatisch auf einen der beiden Sekundärimpulse 51 und S 2 umgeschaltet wird, und zwar immer auf einen solchen Impuls, der die jeweils auftretende Neigung kompensiert.

Die Ergebnisse der an Hand der F i g. 3 beschriebenen Vorgänge sind ihrem Prinzip nach in F i g. 4 schematisch dargestellt, die für die beschriebenen Fälle drei unterschiedliche Geschwindigkeitskurven vl, ν2 und ν3 in Relation zu einer Amplitudenkurve α zeigt, die für den Synchronzustand gilt. Die Geschwindigkeit ν i entspricht dem Synchronzustand und ist gegenüber der Amplitudenkurve a um 90° phasenverschoben. Die Geschwindigkeit ν 2 entspricht dem zu schnellen Lauf und ist strichpunktiert dargestellt. Die Geschwindigkeit ν 3 entspricht dem zu langsamen Lauf und ist gestrichelt dargestellt. Zu den Zeitpunkten der Sekundärimpulse (F i g. 3) ist jeweils zu erkennen, in welcher Weise sich die Zuführung zusätzlicher Energie auswirkt. Dabei entstehen Gesch windigkeitssprünge, die nur bezüglich der Normalkurve ν 1 symmetrisch zum jeweiligen Geschwindigkeitsmaximum liegen. Für die zu hohe Geschwindigkeit ν 2 ist jeweils dann ein Geschwindigkeitssprung zu verzeichnen, wenn die Geschwindigkeit nach Erreichen eines Maximalwertes abnimmt, wodurch ein dynamisches Gleichgewicht für diesen Zustand angestrebt wird und somit die Periode verlängert und die Schwingfrequenz verringert wird. Der entgegengesetzte Fall trifft für die zu geringe Geschwindigkeit ν 3 zu, die einen zusätzlichen Geschwindigkeitssprung vor dem Erreichen eines Maximalwertes erhält. Dadurch wird für diesen Zustand ein dynamisches Gleichgewicht angestrebt, so daß die Periode verkürzt und die Frequenz erhöht wird.

Die Darstellung der Geschwindigkeitskurven in

ίο F i g. 4 ist lediglich schematisch und entspricht keineswegs den tatsächlichen Relationen. Die Ampliludenkurve α ist ohne besondere Darstellung der Sprünge gezeigt, die im Synchronzustand durch beide Sekundärimpulse erzeugt werden.

Aus F i g. 4 ist ferner zu erkennen, warum bei einem Synchronisierunj>vorgang der jeweils aüein zur Wirkung kommende Sekundärinipuls eine größere Amplitude hat als beide Sekundärimpulse im Synchronzustand (vgl. Fig. 3). Der größere Sekundärimpuls 52 im Verlauf D2 (Fig. 3) ergibt sich dadurch, daß zu dem entsprechenden Zeilpunkt die Schwingungsgeschwindigkeit ν 2 trotz ihres höheren Spilzenwertes infolge ihrer höheren Frequenz einen Wert hat, der unter dem entsprechenden Wert der

»5 Normalgeschwindigkeit ν 1 liegt, so daß infolge der nun geringeren Geschwindigkeit die in liem induktiven System vorhandene Gegen-EMK geringer als normai ist, so daß für den allein noch vorhandenen Sekundärimpuls SZ ein höherer Stromimpuls erzeugt werden kann (vgl. auch Verlauf C2 in F i g. 3). Diese gegenüber dem Synchronzustand zusätzlich gelieferte Energie hat ferner die Wirkung einer Verlängerung der Schwingungsperiode, wodurch die Schwingungsfrequenz verringert wird. Damit wird also die Ten- denz des Systems, schneller zu laufen, gleichfalls kompensiert.

Aus ähnlichen Gründen ist auch bei negativem Gangfehler der noch verbleibende Sekundärimpuls 51 stärker als im Synchrcnzustand, da die Geschwindigkeit ν 3 der Schwingung zum Zeitpunkt des Sekundärimpulses 51 infolge des zu langsam laufenden Antriebs kleiner als im Normalfal! ist. Damit ist eine kleinere Gegen-EMK verbunden, die einen jeweils stärkeren Stromfluß im Antriebsstromkreis zuläßt.

Die größere Energie des verbleibenden Sekundärimpulses 51 verkürzt also gleichfalls die Schwingungsdauer des Systems und erhöht dessen Frequenz. Damit ist wiederum eine Kompensation der Neigung zum Langsamlauf verbunden.

Aus der vorstehenden Erläuterung, insbesondere der in F i g. 3 dargestellten Signalverläufe, geht nunmehr auch die Bedeutung der Impulslänge hervor, die mindestens gleich der Gesamtbreite der bei einem Vorbeilauf der Induktivitäten an den Permanentmagnetanordnungen in einer Induktivität induzierten Stromimpulse sein muß. Diese Stromimpulse haben die entsprechend unter B und C in F i g. 3 dargestellten Spannungsverläufe zur Folge. Sie werden jeweils bei einer Bewegung einer Spule durch zwei nebeneinander angeordnete Magnetfelder erzeugt und bestehen, wie beschrieben, aus zwei zeitlichen Impulsen relativ geringer Amplitude und einem mittleren Impuls relativ großer Amplitude. Da die mit diesen Impulsen verbundenen Vorgänge, wie sie in F i g. 3 bei Dl, D 2 und D 3 dargestellt sind, für den Synchronzustand und auch für jeden Gangfehler erfaßt werden müssen, muß die Breite der Synchronisationsimpulse mindestens gleich der Gesamtbreite der je-

weils induzierten Impulse sein. Eine weitere wichtige Bedeutung kommt der Länge der Pausen zwischen den Synchronisationsimpulsen zu. Diese muß mindestens gleich der halben Impulslänge sein. Daraus ist zu erkennen, daß bei zu kleinen Pausen zwischen den Impulsen gegebenenfalls gerade die Wirkung, die zur Unterdrückung eines der Sekundärimpulse 51 und 52 führt, verhindert wird, indem die relative Verschiebung der Synchronisationsimpulse zu den mechanischen Vorgängen, wie sie für positive und negative Gangfehler beschrieben wurde, durch einen zu nah folgenden bzw, vorhergehenden Synchronisationsimpuls kompensiert wird. Somit ist auch zu erkennen, daß der Verwendung höherer Frequenzen der Synchronisationsimpulse eine Grenze gesetzt ist, da bei zu geringer. Impulsabständen die beschriebenen schädlichen Auswirkungen eintreten. Die angegebenen Relationen der Impulslänge und der Pausenlänge der Synchronisationsimpulse bedeuten im Zusammenhang mit der Gesamibreiu der induzierten Impulse eine Einstellung dieser Werte entsprechend den mechanischen Abmessungen des Schwingsystems.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung der Synchronisation kann das Schalterelement, bei- a₅ spielsweise der Feldeffekttransistor 14, auch im KoI-lektorstromkreis oder im Basisstromkreis des Schalttransistors 17 angeordnet sein. Es hat sich jedoch erwiesen, daß der günstigste Wirkungsgrad bei einer Anordnung des Feldeffekttransistors 14 vor dem Emitter des Schalttransistors 17 erzielt wird, was auf den Effekt zurückgeführt wird, daß bei unterbrochener Emitterleitung die Basis des Schaluransislors 17 in den Impulspausen auf ein höheres statisches Ruhepotential aufgeladen wird, das beim nachfolgenden Einsetzen des Kollektorstromflusses höhere Stromwerte und steilere Stromanstiege zur Folge hat. insgesamt wirkt sich der dadurch günstigere Wirkungsgrad so aus, daß ein sehr großer Regelbereich für den Synchronisationsvorgang erzielt wird.

An Stelle lochteckförmigerSynchronisationsimpulse könnten beispielsweise auch solche Impulse verwendet werden, die eine schräg ansteigende oder abfallende Flanke haben oder deren Impulsamplitude während der Impulsdauer nicht konstant ist. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß in jedem Fall der Stromfluß im jeweils durch den Feldeffekttransistor 14 geschalteten Stromkreis der in F i g. I gezeigten Schaltung nicht so beeinträchtigt wird, daß die SekundärimpuIseSl und 52 hinsichtlich zeitlicher Lage und Amplitude verzerrt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2

gungen aus, muli jedoch zum Betrieb der Uhr mit

Patentansprüche: konstanter Amplitude schwingen. Hierzu muß ihm in

bestimmten Schwingungszuständen jeweils eine

i. Verfahren zur Synchronisierung eines elek- Energie zugeführt werden, die ausreicht, um die trodynamischen Uhrenantriebs mit zwei Indukti- 5 Dämpfung des Schwingsystems auszugleichen. Durch vitäten und zwei relativ dazu durch ein mecha- die Relativbewegung zwischen den Induktivitäten nisches Schwingungssystem der Eigenfrequenz / und den Permanentmagneten wird während der bewegten Permanentmagnetanordnungen, wobei Schwingbewegungen in den Induktivitäten eine Spandie erste Induktivität im Arbeitsstromkreis und nung induziert, die einen für Uhrenantriebe der hier die zweite Induktivität im Steuerstromkreis eines io betrachteten Art charakteristischen bekannten Ver-Schalttransistors angeordnet ist und der Schalt- lauf hat. Die in der zweiten Induktivität, der Steuertransistor jeweils durch in der zweiten Indukti- spule, induzierte Spannung dient bei geeigneter vität induzierte Stromimpulse derart leitend ge- Polarität zur öffnung des Schalttransistors, so daß steuert wird, daß in der ersten Induktivität bei dieser die erste Induktivität, die auch als Antriebs-Durchgang des Schwingungssystems durch die 15 spule bezeichnet wird, für die Dauer dieser öffnung Ruhelage abwechselnd ein zentraler Antriebs- an eine Stromquelle anschaltet und somit einen Animpuls bzw. zwei symmetrisch zur Ruhelage triebsstrom durch die Antriebsspule fließen läßt. Daliegende Antriebsimpulse erzeugt werden, da- durch wird nach dem elektrodynamischen Prinzip die durch gekennzeichnet, daß ein in einem Schwingungsbewegung unterstützt, so daß die zur der Stromkreise angeordnetes, den Stromkreis »0 Aufrechterhaltung der mechanischen Schwingung öffnendes bzw. schließendes Schalterelement erforderliche Energie geliefert wird. Um eine mögdurch Synchronisationsimpulse der Frequenz liehst günstige Zuführung der die Schwingung auf-2°-/ für a - 1,2,3... derart periodisch ge- rechterhaltenden Energie zu verwirklichen, werden steuert wird, daß der Arbeitsstromkreis minde- jeweils kurze Antriebsimpulse erzeugt, wenn das stens während der gesamten zeitlichen Dauer der »5 mechanische Schwingsystem seinen Zustand größter bei einem Vorbeilauf der Induktivitäten an den kinetischer Energie hat. Dies ist der Fall, wenn sich Permanentmagnetanordnungen in den Induktivi- der mechanische Schwinger durch seine zwischen täten induzierten Stromimpulse wirksam und zwei Extreinstellungen liegende zentrale Position, mindestens während des dritten Teils der Peri- d. h. seine Ruhelage, bewegt.

odendauer der Synchronisationsimpulse unwirk- 30 Diese bekannten Uhrenantriebe mit zwei Induktisam geschaltet ist. vitäten und zwei Permanentmagnetanordnungen er-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- zeugen induzierte Strom- bzw. Spannungsimpulse, kennzeichnet, daß die Synchror.isationsimpulse deren Polarität mit der Schwingungsrichtung des den Arbeitsstromkreis über das dem Emitter des mechanischen Schwingers relativ zu seiner zentralen Schalttransistors vorgeschaltete Schalterelement 35 Position wechselt, wie in Fig. 2, unten, dargestellt, steuern. Antriebsimpulse werden immer nur dann erzeugt,

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des wenn diese induzierten Impulse eine von beiden Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Polaritäten aufweisen. Es entsteht also bei jedem zeichnet, daß dem Schalttransistor (17) am Durchgang des Schwingers durch seine Ruhelage abEmitter ein Feldeffekttransistor (14) vorgeschaltet 40 wechselnd ein zentraler Impuls bzw. zwei zur Ruheist, lage symmetrische Impulse. Im einzelnen wird hierzu

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, da- auf die Erläuterung der F i g. 2 hingewiesen.

durch gekennzeichnet, daß dem Feldeffekttransi- Die Genauigkeit mechanischer Schwingsysteme,

stör (14) ein monostabiler Multivibrator (13) die als Energiespeicher meist eine Spiralfeder entvorgeschaltet ist. 45 halten, hängt in erster Linie von den Eigenschaften

dieser Spiralfeder ab. Gute mechanische Schwingsysteme haben einen Gangfehler von einer Sekunde

pro Tag und "C, was bedeutet, daß sich die Eigenfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz des Schwing-50 systems um einen relativ hohen Betrag, abhängig

von der Temperatur, ändern kann.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchro- Der Gangfehler von Quarzuhren, die sehr kost-

nisierung eines elektrodynamischen Uhrenantriebs spielig sind und mit Präzisionsschrittmotoren arbeimit zwei Induktivitäten und zwei relativ dazu durch ten, die direkt gesteuert werden, beträgt 2 Minuten ein mechanisches Schwingungssystem der Eigen- 55 pro Jahr. Eine derartige Genauigkeit ist gegenwärtig frequenz/ bewegten Permanentmagnetanordnungen, durch ein mechanisches Schwingsystem nicht zu wobei die erste Induktivität im Arbeitsstromkreis erreichen. Es sind zwar Verfahren der eingangs ge- und die zweite Induktivität im Steuerstromkreis eines nannten Art zur Verbesserung der Ganggenauigkeit Schalttransistors angeordnet ist und der Schalttran- elektrodynamischer Uhrenantriebe mit einer durch sistor jeweils durch in der zweiten Induktivität indu- 60 einen Quarz erzeugten Normalfrequenz bekannt, zierte Stromimpulse derart leitend gesteuert wird, Diese Verfahren arbeiten mit zusätzlich zu den Andaß in der ersten Induktivität bei Durchgang des triebsimpulsen in die Antriebsspule eingespeisten Schwingungssystems durch die Ruhelage abwech- Synchronisationsimpulsen. Je nach der zeitlichen selnd ein zentraler Antriebsimpuls bzw. zwei symme- Lage derselben in bezug auf die in der Antriebstrisch zur Ruhelage liegende Antriebsinjpulse erzeugt 65 schaltung erzeugten Antriebsimpulse wird die Frewerden. quenz des Schwingers verändert. Diese zusätzlichen

Das mechanische Schwingsystem von bekannten Synchronisationsimpulse führen zu einem erhöhten Uhrenantrieben dieser Art führt gedämpfte Schwin- elektrischen Energiebedarf. Synchronisationsverfah-