DE2432391C3 - Einrichtung zur Aufrechterhaltung und Regelung der Schwingungen einer Unruh eines Uhrwerkes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung und Regelung der Schwingungen einer Unruh in einem Uhrwerk mit einer elektrodynamischen Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Schwingungen.

Es sind Anordnungen bekannt, bei denen die Regelung im Falle eines großen Isochronismusfehlers durch eine Synchronisierung auf eine von einem Quarzoszillator abgeleitete Bezugsfrequenz erzielt wird: das Prinzip besteht darin, den Phasenhub zwischen der Schwingung der Unruh und dem Bezugssignal zu messen und anschließend, unter Verwertung dieser Information, der Unruh eine solche Amplitude und damit Frequenz zu erteilen, daß der Phasenhub die Neigung zeigt, in Abhängigkeit von der Zeit abzunehmen.

Die Amplitude kann stetig zwischen zwei Grenzen variieren oder zwei diskrete Werte haben, einen niedrigen Wert (etwa 150°) und einen hohen Wert (etwa 250°).

Bei den bekannten Anordnungen erhält die Unruh ein variables Aufrechterhaltungsenergie-Niveau, indem stetig oder diskret z. B. die Breite und/oder Amplitude des Aufrechterhaltungsimpulses geändert wird.

Die Amplituden sind indessen hier sehr schlecht definiert, da sie von den Verlusten und somit vom Gütefaktor der Unruh abhängen. Nun aber kann dieser vor allem in Funktion von der Lage der Uhr und in Abhängigkeit von der Zeit variieren.

In den Extremfällen, denen man direkt bei kleiner Unruhen begegnet, kann die Amplitude bei hohei Energie in vertikaler Lager kleiner als die Amplitude bei niedriger Energie in horizontaler Lage sein, unc eine völlige Synchronisierung wird somit unmöglich

Selbst wenn ein Synchronisierbereich existiert, wire er immer stark durch die Hängend- und Liegend-Ein stellung reduziert, und folglich dauert das Aafholei eines Phasenhubes länger.

Die DT-OS 2036330 beschreibt eine Einrichtunj zur Aufrechterhaltung der Schwingungen einer Un ruh, in der die durch die in der Spule induzierte Span nung dargestellte Amplitude der Unruh mittels eine Transistors zum Aufladen eines oder mehrerer Kon densatoren während einer halben Schwingungspe riode dient. Dieser oder diese Kondensatoren dienei dazu, eine bestimmte Vorspannung in gewissen Punk ten der Schaltung zuzuführen, so daß eine Regelun der Schwellenspannung, ab welcher der Unterhai tungsimpuls beginnt, erhalten wird.

Die Ladung des oder der Kondensatoren hängt abe nicht nur von der Amplitude der Unruh, sondern auc von den Charakteristiken des Transistors ab, der dies Ladung bewirkt; dies führt zu der Konsequenz, da einerseits der Wert dieser Ladung nicht geändert wer den kann, denn es müßte eine Veränderung der Date

des Transistors vorgenommen werden, und andererseits, wegen der Veränderung dieser Daten infolge Temperaturschwankungen, unerwünschte Veränderungen der Ladung entstehen. Mit dieser Einrichtung ist also die Dosierung der zugeführten Unterhaltungsenergie nicht anpassungsfähig und deren richtiges Funktionieren unter allen normalen Temperaturen garantiert.

Die Beseitigung obengenannter Nachteile gehört zur Aufgabe der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Differentialverstärker beinhaltet, von welchen der erste den Unterschied zwischen der die Amplitude der Unruh darstellenden induzierten Spannung und einer die gewünschte Amplitude der Unruh darstellenden Spannung mißt und der zweite die Aufrechterhaltungsenergie so bestimmt; daß dieser Unterschied verschwindet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 und 2 zeigen darin die verschiedenen Formen der induzierten Spannungen und die diese begleitenden Antriebsimpulse;

Fig. 3 und4 zeigen einerseits eine Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispiels und andererseits die Form der Spannung in einem der Punkte des Stromkreises;

Fig. 5 und 6 erläutern zwei Abschaltfälle der Antriebsimpulse im Beispiel der Fig. 2;

Fig. 7 zeigt eine Prinzipschaltung einer zweiten verbesserten Ausführungsform;

Fig. 8 erläutert verschiedene Spannungszustände in verschiedenen Punkten des Stromkreises der Fig. 7.

In den Fig. 1 und 2 ist die Form der in die Spule des Transduktor induzierten Spannung U₁ ersichtlich. Fig. 1 trifft zu, wenn die Unruh ein Paar Magnete trägt, Fig. 2 trifft zu, wenn sie deren zwei trägt. Die Aufrechterhaltungsimpulse M kommen im Prinzip auf der negativen Seite der induzierten Spannung hinzu. Die Unruh erhält nur einen einzigen AntriebsimpulE pro Zyklus. Der positive Teil kann somit als Maß für die Amplitude benutzt werden und ein Signal so lange abgeben, als er höher als die Sollwertspannung U₀ ist. Diel es Signal erlaubt die Höhe der Spannung U₀ zu variieren, welche die Breite der Antriebsimpulse und somit die Schwingungsamplitude der Unruh festlegt.

Die Schaltung in Fig. 3 stellt den Aufrechterhaltungskreis einer Unruh mit Transduktor mit einer einzigen Spule dar. Die Spule 1 ist zwischen die Speisespannung + V_BB und den Kollektor eines ersten Transistors Tl geschaltet, dessen Emitter mit der Erde G verbunden ist. Die gemeinsame Klemme B zwischen der Spule 1 und dem Transistor Tl ist mit einem der Eingänge eines ersten Differentialverstärkers Al und ebenso mit einem der Eingänge eines zweiten Differentialverstärkers /42 verbunden. Der andere Eingang des Verstärkers Al ist mit einer die Spannung U₀ (Sollwertspannung) an der Speisespannung V_BB festlegenden Spannungsquelle verbunden: der zweite Eingang des Differentialverstärkers Al ist auch mit der Speisespannung V_BB, aber über einen RC-Parallelkreis, bestehend aus einem Widerstand 2 und einem Kondensator 3, über den der Spannungsabfall U_c auftritt, verbunden. Der Ausgang des Differentialverstärkers Al steuert die Basis eines Transistors TV dessen Kollektor über eine Stromquelle /1 mit dem zweiten Eingang des Verstärkers Al verbunden ist und dessen Emitter mit der Erde G verbunden ist. Zwischen die Basis des Transistors Tl und die Erde ist ein Transistor Tl geschaltet, dessen Basis mit einem Impulsgenerator 4 verbunden ist: die Periode dieser Impulse beträgt T₂ und ihre Dauer τ,. Fig. 4 zeigt die Spannung im Punkt B, in dem Augenblick, in dem die Antriebsimpulse auftreten: die Höhe der Spannung U_c, welche die Zeit τ festlegt, in der die

Antriebsimpulse auftreten, ist auch ersichtlich.

Der erste Differentialverstärker Al detektiert die negativen Impulse, der zweite /42 die positiven. Sobald die Spannung im Punkt B kleiner als U_c wird, liefert der Verstärker Al einen Strom, der Tl sättigt, wodurch die Antriebsimpulse abgeschaltet werden. Das Potential im Punkt B ist somit null, und für die Antriebsimpulse gibt es keinen Grund, daß sie aufhören, sogar wenn keine induzierte Spannung mehr vorhanden wäre. Um dies zu vermeiden, wird der Transistör Tl periodisch durch den Transistor T2 gesperrt, an dessen Basis die Impulse H mit einer Dauer T₁ und einer Periode τ₂ auftreten. Der Antriebsimpuls wird somit alle τ₂ Sekunden unterbrochen und, wenn in diesem Moment die induzierte Spannung größer als U_c ist, erscheint er wieder nach einer Unterbrechung von τ, Sekunden; im gegenteiligen Falle kommt es zu keiner Ausbitdung eines Bewegungsimpulses während dieser Periode, nachdem diese τ Sekunden gedauert hat. Für ein einwandfreies Funktionieren ist es erforderlich, daß τ,<τ₂<τ ist.

Wenn die Spannung im Punkt B größer als U₀ ist, sättigt der Differentialverstärker /12 den Transistor T3 und der Strom der Stromquelle /1 lädt den Kondensator 3 auf, wodurch die Spannung U_c und schließlich die Dauer τ des Antriebsimpulses geändert werden. Es ist leicht ersichtlich, daß, wenn aus irgendeinem Grunde die Amplitude zunimmt, U_c zunimmt, was eine Abnahme der Zeit r zur Folge hat und damit auch der zur Unruh gelieferten Energie.

In der Praxis jedoch wird die Amplitude durch die in die Spule induzierte Spitzenspannung gemessen. Es genügt, diese Spannung mit der Sollwertspannung zu vergleichen, das Ergebnis während einer Periode zu speichern und, unter Berücksichtigung dieser Information, an die Unruh einen Aufrechterhaltungsimpuls geeigneter Dauer derart abzugeben, daß er versucht, die Differenz zwischen den induzierten Spannungen und den Sollwertspannungen zum Verschwinden zu bringen.

Der Speicher ist hier einfacherweise in Form einer Kapazität und eines dazu parallelgeschalteten Widerstandes ausgebildet, wobei die Zeitkonstante der Parallelschaltung gleich mehreren Perioden der Unruh, aber kleiner als deren Zeitkonstante i?t. Der Widerstand kann durch eine Stromquelle ersetzt werden.

Da es kaum möglich ist, während jeder Periode eine

solche Ladung zuzuführen oder abzuführen, daß die

Spannung U_c das genaue Abbild der Amplitude von

Periode zu Periode ist, wird der Kondensator 3 dauernd in den Widerstand 2 (oder in eine Stromquelle) entladen, und in jeder Periode .wird der Kondensator 3 geladen oder entladen, je nachdem, ob die Amplitude der Unruh größer oder kleiner als der Normalwert ist. Bei einer mit zwei Paaren von Magneten versehenen Unruh kann in einem Betriebszustand stabilen Funktionierens das Spannungsdiagramm eine der in Fig. 5 und 6 dargestellten Formen haben, wobei wieder zwischen U_c, der Spannung am Kondensator

und im Punkt A, einem Knick, entsprechend einer Ladung des Kondensators, der Spannung U₁₁, der Spannung im Punkt B, V_BB und den Antriebsimpulsen M zu unterscheiden ist.

Das Diagramm Fig. 5 entspricht dem normalen Funktionieren, das heißt, wenn die Antriebsimpulse M durch die starken Ausbauchungen der induzierten Spannung V_B abgeschaltet sind.

Das Diagramm Fig. 6 entspricht einem unerwünschten Funktionieren, weil die Antriebsimpulse M' durch die kleinen Ausbauchungen der induzierten Spannungen abgeschaltet werden. Da der momentane Wirkungsgrad eines Transduktors gleich dem Verhältnis der induzierten Spannung zur an den Transduktor angelegten Spannung V_BB ist, ist ersichtlich, daß der mittlere Wirkungsgrad der Impulse M' viel kleiner als für die Impulse M ist. Der Gesamtwirkungsgrad des Transduktors ist somit viel kleiner als im Falle des Diagramms der Fig. 5. Dies ist die Situation, welche vorhanden ist, wenn die Unruh eine erhebliche Energie liefern muß, die Aufrechterhaltungsimpulse müssen somit breit sein, und der Mittelwert der Spannung U_c muß klein sein.

Zur Vermeidung dieser Impulse M' wird nach dem Schema der Fig. 7 vorgeschlagen, den Kondensator 3 während einer Halbperiode durch eine Stromquelle aufzuladen, dann während der folgenden Halbperiode durch eine andere Stromquelle zu entladen, und zwar derart, daß die Spannung U_c nicht die kleinen Ausbauchungen der induzierten Spannung abschneidet.

In Fig. 7 sind ersichtlich: die Verstärker Al und A2, die Spule 1, der Kondensator 3, die Stromquelle /1 und die Transistoren Tl, 72 und 73: der Widerstand 2 ist durch die Stromquelle /2 ersetzt worden. Was die Spannungsquelle U₀ betrifft, so ist sie unterdrückt worden: als Bezugswert U₀ ist der Spannungsabfall über einen Widerstand 5 vorhanden, welcher zwischen den Punkt B und den zweiten Eingang des Verstärkers /12 geschaltet ist. Andererseits sind die beiden Eingänge zweier Differentialverstärker /13 und AA mit der Klemme B und der Spannungsklemme + V_BB verbunden. Der Ausgang des Differentialverstärkers A3 gibt sein Signal P an den Setzeingang 5 eines RS-Flip-Flops 7 ab, während der Ausgang des Differentialverstärkers A4 sein Signal N an einen der Eingänge eines ODER-Gliedes 8 abgibt, dessen Ausgang mit dem Rückstelleingang R des Flip-Flops 7 verbunden ist. Die beiden Eingänge eines Verstärkers AS sind mit dem ersten Eingang des Verstärkers Al beziehungsweise mit der Erde G verbunden: der Ausgang des Verstärkers AS ist mit dem zweiten Eingang des ODER-Gliedes 8 verbunden. Zwischen dem ersten Eingang des Verstärkers Al und der Erde sind, außer dem Transistor 73, welcher durch den Verstärker A2 gesteuert wird, und der zum Transistor 73 in Reihe geschalteten Stromquelle /1 der Transistor TS geschaltet, der vom Ausgang Q des Flip-Flops 7 gesteuert wird und eine Unterbrechung der Quelle /3 ermöglicht, sowie weiters der Transistor Γ6, welcher durch den Ausgang des Verstärkers Al über einen Verstärker 9 geschaltet ist und eine Unterbrechung der Quelle /4 ermöglicht. Zur Festlegung der Sollwertspannung U_n über den Widerstand 5 sind zwischen dem zweiten Eingang des Verstärkers A2 und der Erde G die Stromquelle /5 geschaltet, und, parallel dazu, die Stromquelle ΔIS, weiche vom Transistor 74 gesteuert wird, der selbst wieder durch den Ausgang eines NAND-Gliedes 6 gesteuert wird. An dieses letztere werden das Signal Q vom Flip-Flop 1 angelegt und andererseits Impulse F, welche von einem Quarzoszillator 10 über einen Teiler 11 erhalten werden. Die Stromquelle /5 ermöglicht den Übergang der Sollwertspannung von U_n zu U₀ + AU₀, und zwai in Abhängigkeit vom Signal O, das vom Ausgang des NAND-Gliedes 6 abgegeben wird. Die Impulse F haben die Frequenz der Unruh und ihre Längen sind gleich einer Halbperiode.

ίο In Fig. 8 ist die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 7 dargestellt: das erste Diagramm erläutert die Spannungen V_B im Punkt B, U_c über die Klemmen des Kondensators 3 und die Antriebsimpulse M. Über den verschiedenen Abschnitten der Spannung U_c, deren jeder einem Laden (Abschnitte mit negativer Steigung) oder einem Entladen (Abschnitte mit positiver Steigung) des Kondensators 3 entsprechen, sind die verschiedenen Ströme angegeben, welche das entsprechende Laden oder Entladen bewirken. Die beiden Diagramme zeigen die Signale Pund A/der Differentialverstärker A3 und A4. Es ist ersichtlich, daß zufolge seiner Schaltung der Differentialverstärker A3 nur dann einen Strom abgibt, wenn das Potential von B höher als V_BB ist. Ei erlaubt somit die Bildung eines Logiksignals P, welches den positiven Ausbauchungen der induzierten Spannung entspricht. In analoger Weise gibt der Verstärker A4 das den negativen Ausbauchungen entsprechende Signal N ab. Nun wird das Flip-Flop 7 betrachtet und es werden dessen Rückstell- bzw. Setzeingang R bzw. S durch die Signale P bzw. N gesteuert. Das Signal des Ausganges Q des Flip-Flops 7. welches die Stromquelle /3 steuert, erlaubt die gesuchte Wirkung zu erreichen: wenn Q = 1 ist, wird die Stromquelle /3 zugeschaltet, welche, da sie mehr Strom abgibt als die Stromquelle 12, den Kondensator 3 aufzuladen beginnt; wenn, umgekehrterweise 0=0 ist, gibt die Stromquelle /3 keinen Strom ab und der Kondensator 3 entlädt sich über die Stromquelle 12. Es ist ersichtlich, daß die Spannung U_c in der Gegend der kleinen negativen Ausbauchungen ein Maximum durchläuft, ohne daß diese Ausbauchungen abgeschnitten werden.

Für die Synchronisierung erlaubt das Logiksignal Q auch leicht den Phasenhub zwischen den Schwingungen der Unruh und dem Bezugssignal F, das vom Quarz abgegeben wird, zu messen. Indem Q und / das NAND-Glied 6 durchqueren, legt dessen Ausgangssignal O zum Zeitpunkt der Impulse PT. vollständig das Vorzeichen des Phasenhubes φ fest, insofern als φ nicht zu klein ist. Falls O nun die Stromquelle A /5 steuert, welche eine Änderung dei Sollwertspannung U₀ um den Wert AU₀ erlaubt, isi ersichtlich, daß, in Abhängigkeit vom Vorzeichen vor φ,die Amplitude der Unruh durch U₀ oder U₀ + AL festgelegt wird. Durch geeignete Wahl des Vorzeichens des Isochronismusfehlers der Unruh hat φ stet! die Tendenz zu verschwinden.

In Fig. 8 sind drei Fälle von Phasenverschiebunger angegeben: Fl, Fl und F3. Im ersten Fail Fl eüi die Unruh um φ' dem Impuls F nach; der Wert 1 de! entsprechenden Signals Ol an der Stelle C bewirkt daß die Sollwertspannung den Wert U₁, + AU₀ annimmt: der Kondensator 3 wird sich weniger aufladen

und die Aufrechterhaltungsenergie wird größer sein die Unruh wird somit ihre Verzögerung aufholen. In zweiten Fall F2 eilt die Unruh um φ" dem Impuls I nach: der Wert 0 des entsprechenden Signals 02 ai

der Stelle C bewirkt, dlaß die Sollwertspannung den Wert U₁, annimmt; die Aufrechterhaltungsenergie wird kleiner sein, und die Unruh wird ihren Gang verlangsamen. Schließlich ist im dritten Fall F3 die Phasenverschiebung φ sehr klein, O3 ändert während des Impulses Pl (bei C) seinen Zustand: dies bedeutet, daß die Sollwertspannung in diesem Falle nicht definiert ist und sich ein unstabiler Betriebszustand ergeben wird. Dies ist jedoch eine unbedenkliche Situation, denn, sobald φ zunimmt, verschwindet die Unbestimmtheit vom O. Es muß bemerkt werden, daß im Moment des Auftretens der Impulse Pl die Werte von O komplementär zu denen sind, welche sich beim Auftreten der Impulse PI ergeben: dies ist aber ohne Bedeutung, da die kleinen Ausbauchungen nicht an den Messungen der Amplitude teilnehmen. Sie können eventuellerweise nur dann den Sollwert überschreiten, wenn eine starke Störung auftritt und wenn nach dieser die Unruh sehr rasch gedämpft wird.

Wenn die Unruh plötzlich gebremst wird, während sie schwingt und während /3 gesperrt wird, geht die Spannung U_c nach null; der Stromkreis kommt damit in einen Zustand, in welchem praktisch der Selbstanlauf der Unruh gewährleistet wird. Umgekehrt wird, wenn diese letztere blockiert ist während die Stromquelle /3 speist, U_c gegen V_BB streben, und die Unruh muß stark in Schwung gebracht werden, um die Antriebsimpulse zu dämpfen. Zur Vermeidung dieses Nachteils kann der Differentialverstärker AS zum Sperren der Stromquelle /3 verwendet werden, wenn Ü_c eine nahe bei V_BB liegende Spannung erreicht, und zwar durch Einwirken auf den Rückstelleingang R des Flip-Flops 7. Dieser Zustand ist in der Fig. 8 nicht dargestellt.

Überdies wird, um zu vermeiden, daß U_c nicht während der Antriebsimpulse M abnimmt, was zur Folge hätte, daß der Impuls M dezentriert würde, die Stromquelle /4 gesteuert, deren abgegebener Strom fast gleich groß wie derjenige der Stromquelle /2 ist. Dies erfolgt durch den Ausgang des Verstärkers Al in der Art und Weise, daß diese Stromquelle den Kondensator 3 während der Impulse auflädt. Während dieser Zeit kann somit U_c konstant bleiben. Dadurch ergibt sich auch der Vorteil, daß bei blockierter Unruh ein eingeschalteter Antriebsimpuls sehr rasch endet Tatsächlich beginnt die Stromquelle /4 den Kondensator 3 zu laden, und U_c erreicht rasch einen Wert der ausreicht, um den Verstärker Al zu sperren. Sobald der Kondensator 3 durch die Stromquelle /2 entladen wird, kann der Impuls abgegeben werden, abei auf jeden Fall wird der vom Stromkreis abgegebent Strom kleiner sein, als wenn der Impuls ein Dauerim puls wäre.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

609 653/3!

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Aufrechterhaltung und Regelung der Schwingungen eimer Unruh eines Uhrwerks mit einer elektrodynamischen Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Differentialverstärker beinhaltet, von welchen der erste den Unterschied zwischen der die Amplitude der Unruh darstellenden induzierten Spannung und einer die gewünschte Amplitude der Unruh darstellenden Spannung mißt und der zweite die Aufrechterhaltungsenergie so bestimmt, daß dieser Unterschied verschwindet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Speicherkreis, der die aus dem Vergleich zwischen der in der Spule des elektrodynamischen Systems induzierten Spannung und einer Sollspannung sich ergebende Spannung während einer Periode der Unruhschwingung speichert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkreis ein RC-Glied ist, dessen Kondensator durch eine erste Stromquelle aufgeladen werden kann, die durch den ersten Verstärker gesteuert wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromquellensystem die Vergleichsspannung während der Periode variieren läßt, um unerwünschte Antriebsimpulse zu vermeiden.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromqueüensystem den Kondensator des RC-Gliedes während einer Halbperiode der Unruhschwingung auflädt und denselben während der folgender« Halbperiode entlädt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite zum besagten Systern gehörende Stromquelle den Kondensator kontinuierlich entlädt, und daß eine dritte Stromquelle zu dessen Laden periodisch zugeschaltet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen dritten und vierten Differentialverstärker enthält, wobei der dritte die positiven Ausbauchungen der induzierten Spannungen detektiert und der vierte die negativen, und daß beide einen RS-Flip-Flop steuern, dessen Ausgang Q die dritte Stromquelle steuert.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Stromquelle, die vom zweiten Verstärker gesteuert wird, die Entladung des Kondensators während des Antriebsimpulses kompensiert.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertspannung in Funktion einer Phasendifferenz zwischen der Schwingung der Unruh und einem von einem Oszillator abgegebenen Referenzsignal variiert werden kann.

K). Einrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Ausganges Q des Flip-Flops mit dem Referenzsignal zusammenwirkt, um eine fünfte Stromquelle einzuschalten oder auszuschalten, wodurch die Variation der Sollwertspannung ermöglicht wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen fünften Differentialverstärker, der ermöglicht, daß die Sollwertspannung während eines Blockierens der Unruh nicht zu groß wird, wobei der fünfte Verstärker durch Einwirken auf den Ä-Eingang des Flip-Flops ein Zuschalten der dritten Stromquelle ermöglicht.