DE3807177A1 - Elektromagnetische antriebsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Antriebs­ schaltung zum Antrieb eines Pendels oder von ähnlichem.

Zur Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Proble­ matik sei zunächst auf Fig. 4 Bezug genommen. Dort ist eine Antriebsschaltung gezeigt, die unter Verwendung einer Spule dazu dient, beispielsweise ein Pendel einer Uhr anzutrei­ ben. Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist wie folgt. Wenn ein Dauermagnet M eines Pendels sich gemäß Darstellung in Fig. 5A einer Spule L 2 nähert, wird in der Spule L 2 eine Spannung V 1 (siehe Fig. 6A) in einer den Magnet abstoßenden Richtung induziert. Wenn der Magnet M gemäß Darstellung in Fig. 5B der Spule gegenüberliegt, wird die induzierte Span­ nung null. Entfernt sich der Magnet M gemäß Fig. 5C, wird eine Spannung V 2 (siehe Fig. 6A) in einer den Magnet anzie­ henden Richtung induziert.

Die induzierte Spannung liegt an einem Punkt P der Schal­ tung in Fig. 4 an. Wenn die induzierte Spannung eine Be­ zugsspannung vr überschreitet, wird ein Transistor T 2 ge­ sperrt, während eine Transistor T 1 eingeschaltet wird, so daß ein Antriebsstrom durch die Spule L 2 fließt. Die Ein­ schaltdauer t 4 des Transistors T 1 wird von einem Kondensa­ tor C und einem Widerstand R 1 bestimmt.

Für einen möglichst effizienten Antrieb des Magneten ist es günstig, den Magnet M beim Anzugsantrieb zu dem aus Fig. 5A entnehmbaren Zeitpunkt, das heißt bei maximaler induzierter Spannung V 1 anzutreiben, wie es aus Fig. 6A ersichtlich ist. Damit dies erreicht wird, müssen die Bezugsspannung vr und die Antriebsdauer t 4 geeignet eingestellt werden.

Wenn ein Pendel angetrieben werden soll, hängen der An­ triebszeitpunkt und die Antriebsdauer von der Länge der Pendelstange oder der Größe ihres Schwingwinkels, das heißt der Schwingungsamplitude ab.

Bei der oben beschriebenen Schaltung wird jedoch die An­ triebsdauer ausschließlich durch die Zeitkonstante be­ stimmt, die von dem Kondensator C und dem Widerstand R 1 ab­ hängt. Dies erfordert es, daß die Zeitkonstante jedesmal nach Maßgabe der Pendellänge oder der Schwingungsamplitude des Pendels eingestellt wird.

Zur Einstellung des Antriebszeitpunkts muß andererseits die Bezugsspannung vr geeignet gewählt werden.

Wird beispielsweise bei Verwendung desselben Pendels, wie es Fig. 6A zugrundeliegt, die Schwingungsamplitude verrin­ gert, dann werden auch die Amplitude der induzierten Span­ nung geringer und die Spannungsänderungen weniger steil. In diesem Fall muß die Bezugsspannung vr zur Einstellung des Antriebszeitpunkts nachgestellt werden. Außerdem muß der Antriebsstrom in der Spule im Bereich des Maximums der in­ duzierten Spannung für eine längere Dauer t 5 (Fig. 6B) als im vorgenannten Fall fließen. Zu diesem Zweck muß die von dem Kondensator C und dem Widerstand R 1 bestimmte Zeit­ konstante geändert werden.

Wenn die Antriebsdauer auf einen größeren Wert (gestrichelt in Fig. 6A) als den optimalen Wert t 4 (in Fig. 6A) einge­ stellt wird, wird die Schwingungsamplitude des Pendels größer als nötig, und der Antriebsstrom fließt unnötiger­ weise noch zu einem Zeitpunkt, wo in der Spule schon die Spannung V 2 entgegengesetzter Polarität induziert wird.

Wird andererseits die Antriebsdauer gemäß gestrichelter Li­ nie in Fig. 6B auf einen geringeren Wert als den optimalen Wert t 5 eingestellt, kann die Antriebsleistung zu gering werden, um die Pendelschwingung aufrechtzuerhalten.

Ähnliche Einstellungen mit entsprechenden Problemen sind erforderlich, wenn die Pendellänge geändert wird.

Bei der bekannten Schaltung müssen also sowohl die Zeitkon­ stante der Schaltung als auch die Bezugsspannung in jedem Einzelfall nach Maßgabe der Schwingungsamplitude des Pen­ dels und der Länge der Pendelstange eingestellt werden. Er­ folgen diese Einstellungen fehlerhaft, resultiert entweder ein unnötiger Energieverbrauch, oder das Pendel bleibt ste­ hen.

Der bekannte Schaltungsaufbau wurde voranstehend im einzel­ nen erläutert. Sein größter, noch nicht erwähnter Nachteil ist die Unmöglichkeit, ihn in Form einer integrierten Schaltung auszuführen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektromagnetische Antriebsschaltung zu schaffen, die mit Ausnahme einer Spule integriert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es fer­ ner, eine elektromagnetische Antriebsschaltung zum Erfassen und Antreiben eines Dauermagneten mit einer einzigen Spule zu schaffen, die den Antrieb mit gutem Wirkungsgrad und ohne unnötigen Stromverbrauch zur Erzielung einer gewünsch­ ten stabilen Amplitude durchführt und ferner den Antrieb unabhängig von unterschiedlichen Schwingungsperioden auto­ matisch optimiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebs­ schaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die elektromagnetische Antriebsschaltung gemäß der Erfin­ dung ist mit einem Komparator versehen, der ein Ausgangs­ signal abgibt, wenn die in der Spule zum Erfassen und Antreiben des Dauermagneten induzierte Spannung eine Be­ zugsspannung übersteigt. Ferner ist ein Impulsgeber zum Erzeugen einer Antriebsimpulskette als Antwort auf das Aus­ gangssignal des Komparators vorgesehen. Wenn das Ausgangs­ signal des Komparators verschwindet, bricht die Antriebsim­ pulskette ab. Die Spule wird abhängig von der Antriebsim­ pulskette mit Antriebsstrom gespeist. Der Antrieb kann wei­ ter dadurch verbessert werden, daß die Bezugsspannung zur Bestimmung des Antriebsendes anders ist als die zur Bestim­ mung des Antriebsbeginns.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 2 und 3 Spannungsverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer bekannten elektromagneti­ schen Antriebsschaltung,

Fig. 5 eine Darstellung verschiedener relativer Posi­ tionen zwischen Dauermagnet und Spule, und

Fig. 6 Spannungsverläufe zur Erläuterung der Arbeits­ weise der in Fig. 4 gezeigten Antriebsschaltung.

In Fig. 1 bezeichnet Vr eine Bezugsspannungsquelle, die eine Bezugsspannung vr abgibt, wie sie in Fig. 2a gezeigt ist. CM ist ein Komparator, der ein Ausgangssignal erzeugt, wie es in Fig. 2b gezeigt ist, wenn die in einer Spule L 1 induzierte Spannung die Bezugsspannung vr übersteigt. G 1 und G 2 sind Verknüpfungsglieder, die in Verbindung mit einem Flipflop F eine Steuerschaltung bilden. W 1 und W 2 sind Impulsgeber in Form monostabiler Multivibratoren, die üblicherweise als auch One-shots oder Monoflops bezeich­ net werden. Diese Impulsgeber W 1 und W 2 geben Impulse der Breite t 1 bzw. t 2 ab. IN ist ein Inverter, und S ein Tran­ sistor als Treiber.

Die Arbeitsweise der elektromagnetischen Antriebsschaltung mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau wird nachfolgend unter Bezug auf Fig. 2 erläutert. Solange der Komparator CM kein Ausgangssignal abgibt, werden der Impulsgeber W 1 in einem Setzzustand und der Impulsgeber W 2 in einem Rücksetzzustand gehalten, und zwar aufgrund des Ausgangssignals des Ver­ knüpfungsglieds G 1, das in Fig. 1 als ODER-Glied darge­ stellt ist.

Wenn dann die in der Spule L 1 induzierte Spannung die Be­ zugsspannung vr gemäß Darstellung in Fig. 2a überschreitet, gibt der Komparator CM das in Fig. 2b gezeigte Ausgangs­ signal ab, was die Impulsgeber W 1 und W 2 aus ihrem Setz- bzw. Rücksetzzustand durch das Verknüpfungsglied G 1 be­ freit. Nach der Zeit t 1 wechselt daher das Signal am Aus­ gang des Impulsgebers W 1 auf den Logikwert "0", wie es in Fig. 2d dargestellt ist. Dadurch wird der Impulsgeber W 2 getriggert, was wegen der Rückkopplung vom Ausgang des Im­ pulsgebers W 2 auf den Triggereingang des Impulsgebers W 1 eine Kette von Impulsen der Breite t 2 vom Ausgang des Im­ pulsgebers W 2 sowie die in Fig. 2d gezeigte Kette von An­ triebsimpulsen am Ausgang des Impulsgebers W 1 auslöst. Durch die Anstiegsflanke des ersten Impulses dieser An­ triebsimpulskette wird das Flipflop F getriggert, dessen Ausgang Q damit gemäß Fig. 2e auf den Logikwert "1" wech­ selt. Das Signal am Ausgang des Verknüpfungsglieds G 1 nimmt damit mit dem Ausgangssignal vom Komparator CM den Logik­ wert "1" an und wird über das Flipflop F in diesem Zustand gehalten (Fig. 2c), so daß die Antriebsimpulskette das vom Ausgangssignal des Verknüpfungsglieds G 1 vorbereitete Verknüpfungsglied G 2, das hier als UND-Glied dargestellt ist, passieren kann. Das daraufhin am Ausgang des Verknüp­ fungsglieds G 1 erscheinende Signal ist in Fig. 2f gezeigt. Durch diese Kette von Antriebsimpulsen wird der Transistor S eingeschaltet, so daß Antriebsstrom durch die Spule L 1 fließt.

Die Antriebsimpulskette liegt über den Inverter IN außerdem am Takteingang des Flipflops F, so daß der Zustand des Aus­ gangssignals des Komparators CM jeweils an der Anstiegs­ flanke der Antriebsimpulse "beurteilt" wird, das heißt in das Flipflop übernommen wird. Damit werden die Antriebsim­ pulskette solange erzeugt und die Spule L 1 solange erregt, solange das Ausgangssignal des Komparators CM ansteht.

Wenn dann die induzierte Spannung unter die Bezugsspannung vr fällt, so daß das Ausgangssignal des Komparators CM ver­ schwindet, wie aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich, wechselt der Logikwert des Signals am Ausgang des Flipflops F mit der Anstiegsflanke des nächsten danach auftretenden An­ triebsimpulses auf "0". Damit werden die Kette von An­ triebsimpulsen und folglich der Antrieb durch die Spule L 1 abgebrochen.

Der Antriebsstrom fließt also in der Spule, solange die in­ duzierte Spannung die Bezugsspannung vr überschreitet. Da­ mit kann der Antrieb wirkungsvoll ständig im Bereich des Maximums der induzierten Spannung ausgeführt werden und die Schwingung bei einer konstanten Schwingungsamplitude stabi­ lisiert werden. Bei kleinen Schwingungsamplituden ist der Verlauf der induzierten Spannung verhältnismäßig flach, wie bei A in Fig. 3 gezeigt, so daß sich eine relativ lange An­ triebsdauer ta ergibt. Bei größeren Schwingungsamplituden wird der Verlauf steiler, wie bei B in Fig. 3 gezeigt, wo­ durch die Antriebsdauer tb verkürzt wird. Dies bedeutet praktisch eine Regelung auf einen konstanten Wert der Schwingungsamplitude.

Bei einem Pendel mit einer anderen Schwingungsperiode (oder Pendelstange anderer Länge) stellt sich der optimale An­ trieb automatisch ein.

Die Breite t 2 der vom Impulsgeber W 2 abgegebenen Impulse beruht auf folgenden Überlegungen. Da die Spule L 1 durch Impulse angesteuert wird, tritt mit der Abfallflanke jedes Impulses eine gedämpfte Schwingung r von etwa 1 ms Dauer auf, wie in Fig. 2a gezeigt. Während dieser gedämpften Schwingung hat die in der Spule L 1 induzierte Spannung kei­ nen stabilen Wert, was zu einer Fehlfunktion führen könnte, wenn während einer solchen gedämpften Schwingung der nach­ folgende Antriebsimpuls erzeugt und damit der Zustand des Ausgangssignals des Komparators CM zu diesem Zeitpunkt in das Flipflop F übernommen würde. Damit der nachfolgende An­ triebsimpuls nicht erzeugt wird, bevor sich der Wert der induzierten Spannung wieder stabilisiert hat, wird die Im­ pulsbreite t 2 der Impulse vom Impulsgeber W 2 auf einige Millisekunden eingestellt. Der Antrieb des Dauermagneten wird durch diese Unterbrechung für einige Millisekunden nicht merklich beeinflußt.

Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß dieselbe Bezugsspannung vr den Startzeitpunkt des An­ triebs und auch den Endzeitpunkt bestimmt. Tatsächlich kön­ nen aber für Start und Ende des Antriebs auch unterschied­ liche Bezugsspannungen verwendet und damit das Antriebsende beeinflußt werden. Wird beispielsweise eine Bezugsspan­ nungsquelle veränderbarer Spannung verwendet und die von dieser abgegebene Bezugsspannung vom Ausgangssignal des Flipflops F auf den Wert vr 1 (siehe Fig. 2a) umgeschaltet, so würde der letzte Antriebsimpuls nicht mehr erzeugt werden. Auf diese Weise ließe sich eine feinere Einstellung der Antriebsdauer erzielen.

Grundsätzlich wird die Amplitude der induzierten Spannung von Schwankungen der Versorgungsspannung beeinflußt. Jede Schwankung der Amplitude der induzierten Spannung führt zu einer Verschiebung des Zeitpunkts, zu dem die Bezugsspan­ nung überschritten wird, und bewirkt damit eine Änderung von Antriebszeitpunkt und Antriebsdauer. Zur Verringerung des Einflußes der Schwankungen der Versorgungsspannung kann die Bezugsspannung vr auf einen relativ kleinen Wert einge­ stellt werden, da sich dann Schwankungen der Versorgungs­ spannung geringer auswirken, und das Ausgangssignal des Komparators mittels einer Verzögerungsschaltung um eine fe­ ste Zeitspanne verzögert werden, damit der Antriebszeit­ punkt gegenüber dem Zeitpunkt, wo das Ausgangssignal des Komparators auftritt, verzögert wird. In Fig. 2a ist bei­ spielsweise die Bezugsspannung vr 2 geringer als die vorher erwähnte Bezugsspannung vr. Mit der Bezugsspannung vr 2 tritt der Zeitpunkt, wo die induzierte Spannung die Bezugs­ spannung überschreitet und der Komparator sein Ausgangs­ signal abgibt, früher auf als bei einer Bezugsspannung vr. Dieses Ausgangssignal kann mittels einer nicht gezeigten Verzögerungsschaltung um die Zeitspanne t 3 verzögert dem Flipflop F und dem Verknüpfungsglied G 1 zugeführt werden.

Der Antriebszeitpunkt wäre dann derselbe wie bei Verwendung einer Bezugsspannung vr. Auf diese Weise wäre es möglich, unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung die Spule zum optimalen Zeitpunkt und mit optimaler Dauer zu erregen.

Mit der beschriebenen Erfindung wird der Dauermagnet von einer einzigen Spule erfaßt und angetrieben, und der Kompa­ rator erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die in der Spannung induzierte Spule die Bezugsspannung übersteigt. Eine Folge von Antriebsimpulsen wird während der Erzeugung dieses Aus­ gangssignals erzeugt und verursacht einen entsprechenden Antriebsstrom in der Spule. Mit Ausnahme der Spule kann die gesamte Schaltung integriert werden. Die Spule kann ständig mit gutem Wirkungsgrad im Bereich des Maximums der indu­ zierten Spannung erregt und der Dauermagnet mit stabiler Amplitude angetrieben werden. Bei kleiner werdender Schwin­ gungsamplitude wird die Antriebskraft größer, bei größer werdender Schwingungsamplitude durch Verkürzung der An­ triebsdauer kleiner. Das heißt die Schwingungsamplitude wird automatisch auf einen konstanten Wert stabilisiert. Durch Änderung der Bezugsspannung kann die Amplitude ferner leicht eingestellt werden.

Pendel unterschiedlicher Eigenfrequenzen können automatisch mit optimaler Zeitsteuerung und optimaler Antriebsdauer an­ getrieben werden.

Durch Umschaltung der Bezugsspannung nach Erzeugung des Ausgangssignals durch den Komparator kann darüber hinaus der Zeitpunkt des Antriebsendes zur Feineinstellung der An­ triebsdauer justiert werden.

Claims (5)

1. Elektromagnetische Antriebsschaltung, umfassend eine Spule (L 1) zum Erfassen und Antreiben eines Dauermagneten (M),
einen Komparator zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn die in der Spule induzierte Spannung eine Bezugsspan­ nung (vr) übersteigt,
einen Impulsgeber (W 1, W 2) zum Erzeugen einer An­ triebsimpulskette als Antwort auf die Erzeugung des Aus­ gangssignals durch den Komparator (CM),
einen Treiber (S), der auf die Antriebsimpulskette anspricht und Antriebsstrom an die Spule (L 1) liefert, und
eine Steuereinrichtung, die auf die Unterbrechung des Ausgangssignals des Komparators (CM) anspricht und die Er­ zeugung der Antriebsimpulskette durch den Impulsgeber (W 1, W 2) unterbricht.

2. Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Umschalter zum Umschal­ ten der Bezugsspannung für den Komparator (CM), nachdem die Erzeugung der Antriebsimpulskette begonnen hat, vorgesehen ist.

3. Antriebsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zwei Verknüpfungsglieder (G 1, G 2) und ein Flipflop (F) ent­ hält.

4. Antriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber zwei monostabile Multivibratoren (W 1, W 2) ent­ hält.

5. Antriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiber (S) einen Transistor umfaßt.