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Einrichtung zum A@@teuern eines Schrittmotors
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ansteuern eines
insbesondere ein elektrisches Uhrwerk antreibenden Schrittmotors mit einer in zwei
Teilwicklungen unterteilten Erregerwicklung, deren Teilwicklungen abwechselnd nacheinander
von einer Steuerstufe ansteuerbar sind.
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Eine Ansteuereinrichtung dieser Gattung ist aus der Zeitschrift Feinwerktechnik,
1970, Heft 10, Seiten 421 bis 423 bekannt. Bei dieser bekannten Ansteuereinrichtung
befinden sich in jedem Zweig einer Teilwicklung ein Feldeffekttransistor. Beide
Feldeffekttransistoren werden von einem Teiler über einen Inverter angesteuert,
wobei der Teiler seinerseits von einem hochfrequenten Oszillator gespeist ist. Der
Oszillator, der ihm nachgeschaltete Teiler und der mit dem Ausgang des Teilers verbundene
Inverter bilden also zusammen mit den Feldeffekttransistoren die Steuerstufe für
die beiden Teilwicklungen.
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Insbesondere bei Verwendung des Schrittmotors als Antrieb für Uhrwerke
sind die von der Steuerstufe abgagebenen Signale so ausgelegt, daß auch bei ungünstigen
Betriebsbedingungen der Schrittmotor einen vollständigen Schritt ausführt und nicht
stehenh3tiiht nder lediglich Pendelhewegu-ngen vollbringt.
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Dies hat zur Folge, daß der Schrittmotor einen verhältnismäßig hohen
Energieverbrauch hat, was sich negativ auf die Lebensdauer der die Betriebsspannung
liefernden Batterie auswirkt.
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Zur Beseitigung dieser Nachteile ist bereits vorgeschlagen worden
(DE-OS 29 29 323), den Schrittmotor mit einer geringeren Leistung zu betreiben und
91cail,hzeit,iy die Drehung des Rotors des Schrittmotors zu überwachen. Erfolgt
dann bei ungünstigen Betriebsbedingungen keine Drehung des Rotors in eine neue Position,
wird der Motor mit einer höheren Energiezufuhr erneut angesteuert, um den nicht
ausgeführten Schritt nachzuholen. Eine solche Ansteuereinrichtung hat jedoch den
Nachteil, daß sie nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand realisiert werden kann.
Zudem ist der Energieverbrauch des Schrittmotors bei einer solchen Ansteuerung immer
noch relativ groß.
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Diese Nachteile sollen durch die Erfindung beseitigt werden. Es ist
daher Aufgabe der Erfindung, eine Ansteuereinrichtung zu schaffen, mit der der Schrittmotor
mit einem möglichst geringen Energiebedarf betrieben werden kann und deren Realisierungsaufwand
klein ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Ansteuereinrichtung der eingangs
beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelost,daß eine Spannungsdetektorstufe
vorhanden ist, die über von der Steuerstufe angesteuerte Schaltmittel jeweils mit
der nicht erregten Teilwicklung verbindbar ist und bei Erreichen eines vorgegebenen
Spannungswertes an der nicht erregten Teilwicklung die Erregung der erregten Teilwicklung
abschaltet.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich im Spannungsverlauf
an der nicht erregten Teilwicklung die Betriebsbedingungen des Motors widerspiegeln.
Der Spannungsverlauf an der nicht erregten Teilwicklung setzt sich nämlich aus der
durch die EMK des Motors erzeugten Spannung und der durch die Stromänderung in der
erregten Teilwicklung hervorgerufenen, in die nicht erregte Teilwicklung induzierten
Spannung zusammen. Die Folge ist, daß der Spannungsverlauf an der nicht erregten
Teilwicklung bei belastetem und bei unbelastetem Motor unterschiedlich ist - der
charakteristische Spannungseinbruch tritt unter Last bei jedem Rotorschritt später
auf als bei unbelastetem Motor -, IllH5 darauf zuriickzuführen ist, daß der Motor
unter Last bei jedem Schritt zu einem späteren Zeitpunkt in den Generatorbetrieb
übergeht, als dies bei unbelastetem Motor der Fall ist.
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Zudem ist die Amplitude der Spannung an der nicht erregten Teilwicklung
bei unbelastetem Motor größer als bei belastetem. Da sich Umwelteinflüsse, wie Temperatur,
Erschütterungen, Vibrationen und anderes mehr, die auf den Motor wirken, als eine
Anderung der Last bemerkbar machen, kann der Spannungsverlauf an der
nicht
erregten Teilwicklung als Hriterium für eine Steuerung des Motors in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen herangezogen werden.
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Die beiden auf dem Stator sitzenden Teilwicklungen ii ?I 1 tl rn n
1 n p n r Art Tr an nfnrm tor g entjt z t Da beide Teilwicklungen gleich groß sind,
tritt an der als Meßwicklung genutzten Teilwicklung bezogen auf die erregte Teilwicklung
der volle Spannungshub auf. Die Heranziehung jeweils einer der beiden Teilwicklungen
zur Erfassung des Stromes in der jeweils anderen, erregten Teilwicklung wirkt sich
besonders günstig auf den bei der Realisierung der Steuereinrichtung zu betreibenden
Aufwand aus.
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Sobald in der nicht vom Erregerstrom durchflossenen Teilwicklung ein
bestimmter, vorgegebener Spannungswert auftritt, schaltet die Detektorstufe die
vom Erregerstrom durchflossene Teilwicklung ab. Als bestimmter, vorgegebener Spannungswert
kommt mit Vorteil der nach einem Teilschritt des Rotors auftretende charakteristische
Spannungseinbruch in Betracht.
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Bei diesem Spannungseinbruch hat sich nämlich der Rotor um einen solchen
Drehwinkel gedreht, daß er auch bei Abschalten der Erregung seinen Schritt vollendet,
also in seine neue Position wandert und nicht in seine vorige Position zurückdreht.
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Die Abschaltung der Erregung nach Erreichen des charakteristischen
Spannungseinbruchs hat zur Folge, daß jeweils nur die für die Durchführung eines
Schrittes unabdingbar erforderliche Energie der Batterie entnommen wird, also ein
minimaler Energieverbrauch stattfindet. Dieser Energieverbrauch ist im ührigen kleiner
als der bei den bekannten Steuer-
einrichtungen, bei denen bei Nichtdrehung
des Rotors die Erregerwicklung mit einem zusätzlichen Impuls beaufschlagt wird,
weil bei der erfindungsgEmäßen Steuereinrichtung für jeden Schritt nur ein einziger
Spannungsimpuls mit einer den jeweiligen Betriebsbedingungen gerade gerechtwerdenden
Dauer benötigt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Detektorstufe zur
Abschaltung der erregten Teilwicklung bei Erreichen eines vorgegehenen Spannunysbetrages
ausgebildet. Die Realisierung kann dadurch erfolgen, daß ein Differenzverstärker
vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit der nicht erregten Teilwicklung verbindbar
ist und dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung beaufschlagt ist, so daß,
wenn die Spannung an der nicht erregten Teilwicklung die Referenzspannung erreicht
oder überschreitet, der Differenzverstärker ein Ausgangssignal an die die Erregung
der anderen Teilwicklung abschaltenden Mittel gibt.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist die Detektorstufe
zur Abschaltung der erregten Teilwicklung bei Erreichen eines vorgegebenen Spannungsgradienten
ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird die Änderung der an der nicht erregten
Teilwicklung auftretenden Spannung erfaßt und mit einem vorgegebenen Anderungswert
verglichen. Sobald dieser Wert erreicht ist, wird die erregte Teilwicklung abgeschaltet.
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Da der von der nicht erregten Teilwicklung während
des
Zeitraums der Erregung der erregten Teilwicklung erfaßte Spannungsverlauf zu verschiedenen
Zeitpunkten gleiche Spannungsbeträge oder gleiche Spannungsgradienten aufweisen
kann und bei Erfassung und Auswertung dieser Spannungsbeträge oder Spannungsgradienten
die Energiezufuhr zum Schrittmotor zu kurz oder zu lang ausfallen würde, ist die
Detektorstufe nur innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls wirksam. Das Erreichen
des vorgegebenen Spannungsbetrages bzw. Spannungsgradienten, der zur Abschaltung
der erregten Teilwicklung durch die Detektorstufe führt, muß also innerhalb eines
vorgegebenen Zeitintervalls stattfinden. Auf diese Weise werden sich andere Spannungsbeträge
bzw. Spannungsgradienten, die zu anderen Zeitpunkten im Spannungsverlauf an der
nicht erregten Teilwicklung auftreten eliminieren.
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Unter Berücksichtigung dessen, daß der charakteristische Spannungseinbruch,
den es grundsätzlich auszuwerten gilt, eher am Ende der Erregungszeitdauer als am
Anfang derselben auftritt, empfiehlt es sich, zwischen dem Beginn der Erregung der
Teilwicklung und dem Beginn des Zeitintervalls, innerhalb dessen der Spannungsbetrag
bzw. der Spannungsgradient erfaßt werden soll, eine Zeitverzögerung vorzusehen.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, die Zeitverzögerung etwa gleich einem Drittel
der gesamten Erregungszeitdauer einer Teilwicklung zu wählen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist die Detektorstufe zur Ab-
schaltung der erregten Teilwicklung
nach Erreichen eines vorgegebenen Spannungsbetrages und eines vorgegebenen Spannungsgradienten
alJsgebildet. Eine solche Ausführungsform hat im Vergleich zu den vorher beschriebenen
den Vorteil, daß sie eine besonders genaue und optimale Ansteuerung des Schrittmotors
gestattet. Auch ist der fü ihre Realisierung erforderliche Aufwand an Bauteilen
geringer als derjenige für die zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Diese Ausführungsform
wird daher im allgemeinen den anderen vorzuziehen sein.
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Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die verschiedene Ausführungsbeispiele
enthält, näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen auf das für die Erfindung Wesentliche
vereinfachtenSchaltplan einer Ansteuereinrichtung mit einer einen Spannungsbetrag
erfassenden Detektorstufe, Figur 2 eine einen Spannungsgradienten erfassende Detektorstufe,
Figur 3 eine einen Spannungsgradienten innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls
erfassende Detektorstufe, Figur I eine einen Spannungabetrag und einen Spannungsgradienten
erfassende Detektorstufe und
Figur 5 den zeitlichen Verlauf mehrerer
Kennwerte einer Steuereinrichtung mit einer Detektorschaltung gemäß Figur 4.
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Von dem ein elektrisches Uhrwerk antreibenden Schrittmotor sind lediglich
die beiden Erregerteilwicklungen 1 und 2 in dem Schaltplan nach Figur 1 eingezeichnet.
Wie anhand der punktförmigen Markierung ersichtlich, sind die beiden Teilwicklungen
1 und 2 gegensinnig zueinander gewickelt. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, die
beiden Teilwicklungen aus einer hifilar gewickelten Erregerwicklung herzustellen,
dLrLin WiLk lungnfang aurgetrennt wird und bei der der Wicklungsanfang der einen
Teilwicklung dem Wicklungsende der anderen Teilwicklung und das Wicklungsende der
einen Teilwicklung dem Wicklungsanfang der anderen Teilwicklung zugeordnet ist.
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Jede dieser beiden Teilwicklungen 1 und 2 kann über einen Feldeffekttransistor
3 bzw. 4 an Betriebsspannungspotential gelegt werden. Das Steuergitter G1 des Feldeffekttransistors
3 und das Steuergitter G2 des Feldeffekttransistors 4 ist jeweils mit dem Ausgang
eines exklusiven ODER 5 bzw.6 verbunden, von denen jedes mit einem Eingang mit einem
Ausgang Al bzw. A2 einer nicht dargestellten S-teuerstufe in Verhindung steht. Die
StPuerstufP umfaßt in bekannter eie einen nochfrequent schwingenden Oszillator,
einen diesem nachgeschalteten Teiler sowie gegebenenfalls einen dem Teiler nachgeschalteten
Inverter.
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Jeder der beiden anderen Eingänge jedes exklusiven ODER 5 bzw. 5 ist
über einen Feldeffekttransistor 7 bzw. 8 an den invertierten Ausgang Q eines Flipflop
9 angeschlossen. Die Steuerung der beiden Feldeffekttransistoren 7 und 8 erfolgt
ebenfalls durch die beiden Ausgänge Al und A2 der Steuerstufe, die zudem jeweils
über eine Diode 10 bzw. 11 mit einem Inverter 12 verbunden sind, dessen Ausgang
an den Reset-Eingang des Flipflop 9 angeschlossen ist. Die Dioden 10 und 11 dienen
hierbei zur Entkopplung der beiden Steuerzweige.
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Mit den Ausgängen Al und A2 der Steuerstufe stehen des weiteren zwei
Feldeffekttransistoren 13 und 14 in Wirkverbindung, deren drain-source-Strecken
jeweils mit einem Ende der Teilwicklung 1 bzw. 2 und andererseits mit dem positiven
Eingang eines Differenzverstärkers 15 verbunden sind. Der andere Eingang des Differenzverstärkers
15 ist von einer mittels eines Spannungsteilers 16 erzeugten Referenzspannung beaufschlagt.
Der Differenzverstärker 15 bildet die auf einen vorgegebenen Spannungsbetrag ansprechende
Detektorstufe 17, die über das Flipflop 9 und die beiden exklusiven ODER 5 und 6
die Erregung der Teilwicklung 1 bzw. Teilwicklung 2 abschaltet, wenn an der jeweils
anderen Teilwicklung eine Spannung auftritt, die der Referenzspannung am Differenzverstärker
15 entspricht.
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Die in Figur 2 dargestellte Detektorschaltung 18 unterscheidet sich
von der Detektorschaltung 17 dadurch, daß sie als Differenzierstufe 19 aufgebaut
ist, an deren mit dem Differenzverstärker 20
verbundenen Ausgang
ein Signal zur Verfügung steht, das dem Gradienten der an der jeweiligen Teilwicklung
abgegriffenen Spannung entspricht.
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Bei der in Figur 3 dargestellten Detektorschaltung 22 wird ehenfalls
der Gradient der an einer der Teilwicklungen 1 oder 2 abgegriffenen Spannung ausgewertet.
Hierfür enthält die Detektorschaltung 22 wiederum einen als Differenzierer beschalteten
Differenzuerstärker 20. Die Auswertung erfolgt jedoch nicht vor Anbeginn der Erregung
an sondern innerhalb eines Zeitintervalls, dessen Beginn gegenüber dem Beginn der
Erregung verzögert ist. Zu diesem Zweck ist die Differenzierstufe 19 über einen
Feldeffekttransistor 23 mit den Feldeffekttransistoren 13 und 14 verbunden. Der
Feldeffekttransistor 23 wird von einem Zähler 24 ausgesteuert, der seinerseits Zählimpulse
über ein UND-Gatter 25 von einem Taktgenerator 26 erhält. Anstelle des Taktgenerators
26 kann der eine Eingang des UND-Gatters 25 auch mit einem Ausgang des in der Steuerstufe
vorhandenen Teilers verbunden sein. Der andere Eingang des UND-Gatters 25 ist unmittelbar
und der Reset-Eingang des Zählers 24 mittelbar über einen Inverter 27 von der Steuerstufe
angesteuert. Erscheint daher im Ausgang Al der Steuerstufe ein Signal, durch das
der Feldeffekttransistor 3 in Durchlaßrichtung geschaltet und die Teilwicklung 1
erregt wird, so führt dieses Signal dazu, daß die vom Taktgeber 26 abgegebenen Impulse
durch das UlUD-Gatter 25 zum Zähleingang gelangen können und der Zähler mit dem
Hochzählen beginnt. Nach Erreichen eines bestimmten Zählerinhalts, d. h. nach Verstreichen
einer bestimmten Zeit, wird der Feldeffekttransistor 23 durch den
Zähler24
in Durchlaßrichtung geschaltet und das von der nicht erregten Teilwicklung 2 abgegebene
Signal kann durch die Differenzierstufe 19 differenziert werden. Sobald das Signal
im Ausgang Al der Steuerstufe verschwindet, wird das ODER-Gatter 25 gesperrt und
gleichzeitig der Zähler durch das hinter dem Negator 27 erscheinende Signal zuruckyesetzt.
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Die in Figur 4 dargestellte Detektorstufe 28 ist zum Abschalten der
erregten Teilwicklung nach Erreichen eines vorgegebenen Spannungsbetrages und eines
vorgegebenen Spannungsgradienten ausgebildet.
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Sie enthält daher wie die Detektorstufe 17 einen Differenzverstärker
15, dessen negativer Eingang mit einem Spannungsteiler 16 verbunden ist, sowie einen
weiteren als Differenzierer beschalteten Differenzverstärker 20. Der positive Eingang
des Differenz verstärkers 15 ist zusammen mit dem Eingang der Differenzierstufe
19 an die Ausgänge der Feldeffekttransistoren 13 und 14 angeschlossen. Die beiden
Ausgänge der Differenzverstärker 15 und 20 sind mit den Eingängen eines NOR-Gatters
29 verbunden, dessen Ausgang an den Eingang des Flipflops 9 angeschlossen ist.
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Die Steuereinrichtung sei anhand der Schaltung gemäß Figur 1 in Verbindung
mit der Detektorschaltung 28 und dem zeitlichen Verlauf der Kennwerte gemäß Figur
5 näher erläutert.
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Erscheint im Ausgang A1 der Steuerstufe ein Signal, so wird der Feldeffekttransistor
3 über das exklusive
ODER 5 in Durchlaßrichtung geschaltet und
die Teilwicklung 1 wird erregt. Durch das im Ausgang Al erscheinende Signal wird
des weiteren der Feldeffekttransistor 7 in Durchlaßrichtung gesteuert. Zu diesem
Zeitpunkt sind der Feldeffekttransistor 4 und der Feldeffekttransistor 8 gesperrt
und das Flipflop 9 befindet sich in seinem Ausgangszustand, d. h. der nicht invertierte
Ausgang gibt ein High-Signal ab, während am ivertierten Ausgang ein Low-Signal ansteht.
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Durch das Signal im Ausgang Al wird des weiteren der Feldeffekttransistor
14 in Durchlaßrichtung geschaltet, was zur Folge hat, daß die in der nicht erregten
Teilwicklung 2 auftretende Spannung sowohl auf den positiven Eingang des Differenzverstärkers
15 als auch zur Differenzierstufe 19 der Detektorstufe 28 gelangen kann. Sobald
der durch den Spannungsteiler 16 vorgegebene Spannungsbetrag als auch der durch-die
RG-Komoination 21 vorgegebene Spannungsgradient an der Teilwicklung 2 auftreten,gibt
das NOR-Gatter 29 ein Signal an das Flipflop 9, das in seinen zweiten stabilen Zustand
kippt. Am invertierten Ausgang erscheint mithin ein High-Signal, das über den in
Durchlaßrichtung geschalteten Feldeffekttransistor 7 an den zweiten Eingang des
exklusiven ODER 5 gelangt. Die Folge ist, daß das Ausgangssignal des exklusiven
ODER 5 von High auf Low wechselt und der Feldeffekttransistor 3 gesperrt wird. Die
Erregung der Teilwicklung 1 ist damit beendet. Durch den sich drehenden Dauermagnetrotor
des Schrittmotors wird in die Teilwicklung 2 noch eine Spannung induziert, die jedoch
keine Auswirkungen auf die Ansteuereinrichtung hat. Es wird hierzu auf Figur 5 verwiesen.
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Sobald im Ausgang Al der Steuerstufe das Signal verschwinden, wird
der Feldefffekttilarxsi.s.tor 7 in seine Sperrichtung gesteuert, so daß an beiden
Eingängen des exklusiven ODER 5 wieder ein Low-Signal ansteht und damit auch am
Ausgang des exklusiven ODER 5.
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Gleichzeitig mit dem Verschwinden des Signals im Ausgang Al der Steuerstufe
geht der Ausgang des Inverters 12 von Low in High über, was zur Folge hat, daß das
Flipflop 9 zurückgesetzt wird. Ferner wird auch der Feldeffekttransistor 14 durch
das Verschwinden des Signals im Ausgang A1 der Steuerstufe wieder in seine Sperrichtung
gesteuert.
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Derselbe Vorgang spielt sich ab, wenn im Ausgang A2 der Steuerstufe
ein Signal erscheint. Dann wird die Teilwicklung 2 erregt, während die Teilwicklung
1 als Meßwicklung arbeitet. Der Feldeffekttransistor 13 wird dann in seinen leitenden
Zustand gesteuert und ebenso der Feldeffekttransistor 8. Sobald der vorgegebene
Spannungsbetrag und der vorgegebene Spannungsgradient vorliegen, gibt das NOR-Gatter
29 wieder ein Ausgangssignal an das Flipflop 9 ab, das in seinen zweiten Zustand
kippt und über den in Durchlaßrichtung geschalteten Feldeffekttransistor 8 das Ausgangssiganl
des exklusiven ODER 6 zum Verschwinden bringt. Damit ist die Erregung der Teilwicklung
2 beendet. Verschwindet das Signal im Ausgang A2 wieder, so wird das Flipflop 9
wieder zurückgesetzt, der Transistor 8 und der Transistor 13 werden wieder in ihre
Sperrichtung gesteuert und ein neuer Steuervorgang durch ein im Ausgang A1 erscheinendes
Signal kann beginnen.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ansteuereinrichtung besteht
darin, daß dasselbe Uhrwerk mit Zeigern betrieben werden kann, ohne daß am Uhrwerk
oder an der Steuereinrichtung irgendwelche Änderungen vorgenommen werden müssen.
Hie-rrillrcrl wird nicht riur die Anwendbarkeit eines mit einer solchen Ansteuereinrichtung
versehenen Uhrwerks erweitert, sondern auch die Lagerhaltung wesentlich vereinfacht.
Ferner besteht die Möglichkeit ein solches breit einsetzbares Uhrwerk in großen
Stückzahlen billig herstellen zu können.
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