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Uhrenantrieb mit einem elektronischen Schwingungserzeuger Die Erfindung
bezieht sich auf einen Uhrenantrieb mit einem vorzugsweise transistorbestückten,
elektronischen Schwingungserzeuger und einem ausschließlich von diesem unter Fortfall
eines schwingenden mechanischen Frequenzgebers gespeisten Synchronmotor. Dieser
Uhrenantrieb ist insbesondere zum Betrieb einer Uhr bestimmt, bei der ein niederfrequentes
Synchronisierungssignal dem elektrischen oder magnetischen Streufeld des Lichtnetzes
entnommen wird.
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Zum Antrieb elektrischer Uhren dienen normalerweise Synchronmotoren
entweder des Hysteresistyps oder des Permanentmagnettyps. Um zu erreichen, daß solche
Motoren immer in derselben Richtung anlaufen, verwendet man Zusatzspulen zur Verzerrung
des Statorfeldes. Obwohl diese Anordnung in den üblichen elektrischen Uhren gut
arbeitet, speziell bei Hysteresismotoren, ist sie für Uhren wenig geeignet, die
keine direkte Verbindung mit dem Lichtnetz besitzen, sondern aus Batterien gespeist
werden müssen, da die Zusatzspulen einen erheblichen Leistungsbedarf besitzen.
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Es ist bereits bekannt, die einer Netzgleichspannung als Welligkeit
überlagerte Wechselspannung auszusieben, zu verstärken und zum Antrieb oder zur
Synchronisierung einer gewöhnlichen, mit Wechselspannung arbeitenden Synchronuhr
zu verwenden. Dabei sind z. B. auch Schaltungen entwickelt, bei denen die überlagerte
Wechselspannung zur Synchronisierung eines annähernd auf 60 Hz abgestimmten elektronischen
Röhrenkreises als Hilfsschwingungskreis dient, in einer Abwandlung auch mit einer
Gegentakt-Verstärkerschaltung. Diese Anordnungen eignen sich nicht ohne weiteres
für einen Batteriebetrieb, insbesondere da keine Vorsorge getroffen ist, daß bei
Fortfall des synchronisierenden überlagerten Wechselstromes eine annähernd frequenzkonstante
Speisung des Synchronmotors weiterbesteht; ferner sind keine ausreichenden Sicherungen
für Selbstanlauf nach Stillstand stets in der richtigen Drehrichtung vorhanden.
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Es sind auch bereits batteriegespeiste Uhrwerksmotoren mit permanentem
Läufer bekannt, die sich über Transistorschaltungen ihre Frequenz selbst schaffen,
die jedoch nicht selbstanlaufend sind und zur Festlegung der Drehrichtung besonderer
Maßnahmen bedürfen. Es sind auch batteriegetriebene, transistorbestückte Schwingungserzeuger
bekannt, deren Frequenz jedoch durch einen schwingenden mechanischen Frequenzgeber
bestimmt wird und die ihrerseits wieder die Frequenz zum Antrieb eines Synchronmotors
liefern.
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Weiterhin ist bekannt, zum Antrieb eines elektromagnetisch betätigten
Schaltwerkes, das zum Antrieb einer Uhr dienen kann, einen auf niedriger Frequenz
arbeitenden Röhrengenerator in Schwebungsschaltung zu verwenden. Frequenzbestimmend
sind hier ausschließlich die Werte des elektrischen Schwingkreises, deren Konstanz
besonders bei niedrigen Frequenzen bekanntlich nicht groß ist, vor allem wenn zur
Erzielung ausreichender Leistung die Spulen der Schwingkreise mit Eisenkernen versehen
sind.
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Durch die Erfindung soll ein Uhrenantrieb mit einem elektronischen
Schwingungserzeuger und einem von diesem gespeisten Synchronmotor angegeben werden,
der einen besonders guten Wirkungsgrad und einen kleinen Leistungsbedarf aufweist
und der sich besonders gut für Uhren ohne direkten Netzanschluß eignet, die durch
das Streufeld des Lichtnetzes synchronisiert werden. Der Uhrwerksmotor soll beim
Ausfall des Synchronisierungssignals weiterlaufen und gewährleisten, daß die Uhr
auch während dieser Zeiten, in der kein Synchronisierungssignal vorhanden ist, annähernd
richtig geht. Nach einem Stillstand soll der Motor von selbst und in der richtigen
Richtung anlaufen. Der Uhrenantrieb mit einem elektronischen Schwingungserzeuger
und einem ausschließlich von diesem unter Fortfall eines schwingenden mechanischen
Frequenzgebers gespeisten Synchronmotor mit einem mit Feldspulen bewickelten Ständer
und permanentmagnetischem Läufer, wobei dem Eingangskreis des Schwingungserzeugers
ein. Synchronisierungssignal zugeführt wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
däß der elektronische
Schwingungserzeuger aus einem Eingangskreis
in Form einer Phasenumkehrstufe und einem Ausgangskreis in Form einer Verstärkerstufe,
gegebenenfalls in Gegentaktschaltung, besteht, daß der Ausgangskreis durch einen
ersten Rückkopplungszweig mit dem Eingangskreis verbunden ist, der so bemessen ist,
daß sehr langsame Schwingungen entstehen, die den Feldspulen zugeführt werden, daß
ferner im Motor eine Rückkopplungswicklung vorgesehen ist, die magnetisch mit dem
Läufer gekoppelt ist und ein Signal liefert, dessen Frequenz von der Drehzahl des
Motors abhängt und über einen zweiten Rückkopplungszweig derartig gepolt dem Eingangskreis
zugeführt wird, daß sich beide rückgekoppelten Signale nur bei der gewünschten Drehrichtung
des Läufers verstärken, und daß der Phasengang des zweiten Rückkopplungszweiges
in Abhängigkeit von der Frequenz so bemessen ist, daß sich die Motordrehzahl in
der Nähe des Sollwertes stabilisiert.
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Die Arbeitsweise des elektronischen Schwingungserzeugers, der vorzugsweise
mit Transistoren bestückt ist, und des Motors wird durch die verschiedenen Eingangssignale
aus den Rückkopplungszweigen und einer ein Synchronisierungssignal liefernden Antenne
bestimmt. Beim Einschalten des Oszillators entstehen dadurch, daß das Eingangssignal
direkt vom Ausgang des Verstärkers, vorzugsweise Gegentaktverstärkers, zurückgekoppelt
wird, sehr niederfrequente Schwingungen, d. h. Schwingungen von der Größenordnung
1 oder 2 Hz. Dadurch werden den Feldspulen des Motors kurze Stromimpulse zugeführt,
die sich gut eignen, den Motor anlaufen zu lassen. Der Anlauf in der gewünschten
Richtung wird durch einen zweiten Rückkopplungszweig und eine diesen speisende Rückkopplungsspule
gewährleistet. Sollte der Anker anfangen. sich in der falschen Richtung zu drehen,
so wird in der Ankerrückkopplungsspule ein Strom induziert, der dem Strom vom Ausgang
des Verstärkers entgegenwirkt, so daß die niederfrequenten Schwingungen abgeschwächt
werden, bis der Anker zum Stillstand kommt. Andererseits erzeugt eine anfängliche
Bewegung in der gewünschten Richtung Rückkopplungsströme, die sie verstärken, wodurch
die niederfrequenten Schwingungen ebenfalls verstärkt werden. Wenn die Geschwindigkeit
des Motors zunimmt, steigt der Strom aus der Ankerrückkopplungsspule ebenfalls,
und der Rückkopplungsstrom vom Ausgang des Gegentaktverstärkers nimmt aus einem
Grunde ab. der weiter unten noch erklärt werden wird. Auf diese Weise wird die Frequenz
des Schwingungserzeugers in Abwesenheit eines Synchronisierungssignals abhängig
von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors, welche ihrerseits wieder von der Oszillatorfrequenz
abhängt. Bei entsprechender Bemessung des Phasenganges des Stromes, der in der Rückkopplungswicklung
vom Anker induziert wird, in Abhängigkeit von der Frequenzcharakteristik des Oszillators,
kann die Oszillatorfrequenz bei der gewünschten Arbeitsfrequenz, beispielsweise
50 oder 60 Hz, stabilisiert werden. Die Oszillatorfrequenz kann dann durch Zuführung
eines 50- oder 60-Hz-Synchronisierungssignals kleiner Amplitude auf diesen synchronisiert
werden. Der Motor läuft auch dann weiter, wenn das Sychronisierungssignal beispielsweise
durch einen zeitweiligen Netzausfall verschwindet, so daß beim erneuten Erscheinen
der Netzspannung der Oszillator wieder in Tritt fällt und praktisch keine Zeitabweichung
aufritt.
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Schließlich sei noch erwähnt, daß inzwischen, aber erst nach der Anmeldung
der vorliegenden Erfindung bekanntgeworden, ein älterer Vorschlag gemacht worden
ist, bei einem rein elektronischen, also ebenfalls ohne mechanischen Frequenzgeber
arbeitenden Antrieb einer Synchronuhr durch eine mit einer Verzögerungsleitung langer
Laufzeit, die die Frequenz bestimmt, versehenen Oszillatorschaltung eine Synchronisation
durch die Verzögerungsschaltung selbst zu erzielen, indem der aus der Verzögerungsschaltung
austretende Impuls über die Sekundärwicklung des Transformators auf die Basis des
Transistors zurückgekoppelt ist; dabei soll der Transformator gleichzeitig als Wicklung
des Synchronmotors dienen. Freilich soll hier ein Selbstanschwingen des Schwingkreises
erstrebt werden, aber weder ist auf eine exakte Fremdsynchronisierungsmöglichkeit
noch auf die Sicherung des Selbstanlaufes des Motors in der richtigen Drehrichtung
irgendwelche Rücksicht genommen, so daß hier auch die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe nicht gegeben ist.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert
werden.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Oszillators und des Motors
entsprechend der Erfindung; Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des in Fig.
1 schematisch dargestellten Motors.
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In Fig. 1 bedeuten 11, 12 und 13 drei P-N-P-Flächentransistoren, deren
jeder eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter besitzt, die jeweils mit den
Bezugszeichen 21, 31, 41; 22, 32, 42 und 23, 33. 43 bezeichnet sind. Die Speisung
erfolgt durch eine nicht gezeigte Batterie, deren positiver Pol 14 an Masse liegt
und deren negativer Pol mit 15 bezeichnet ist. Der Transistor 11 dient zur Phasenumkehr,
er besitzt zu diesem Zweck einen Widerstand 16 zwischen Emitter 41 und Masse und
einen Widerstand 17 zwischen Kollektor 31 und dem negativen Anschluß 15 der Batterie.
Zur Vorspannung des Transistors 11 sind zwei Widerstände 18 und 19 vorgesehen, die
in Serie zwischen den negativen Pol 15 und Masse geschaltet sind und deren gemeinsamer
Punkt an die Basis 21 angeschlossen ist. Das zwischen den Eingangsanschlüssen 25
und 26 angelegte Synchronisierungssignal wird der Basis 21 des Transistors 11 einerseits
und der Masse andererseits zugeführt.
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An dem Ausgang der Phasenumkehrstufe sind mittels der Kopplungskondensatoren
28 und 29 die Eingänge des Transistors 12 und des Transistors 13 angeschlossen,
die als Gegentakt-b-Verstärker geschaltet sind. Im einzelnen sind die Kapazitäten
28 und 29 zwischen den Kollektor 31 des Transistors 11 und die Basis 22 des Transistors
12 bzw. zwischen den Emitter 41 des Transistors 11 und die Basis 23 des Transistors
13 geschaltet. Zwei Dioden 35 und 36 sind vom den jeweiligen Basen 22 und 23 der
Transistoren 12 und 13 an die Verbindung der Emitter 42 und 43 angeschlossen, die
an Masse liegt. Es hat sich ebenso als wünschenswert erwiesen, zwischen die Basen
und die Kollektoren der Transistoren 12 und 13 die Kapazitäten 38 und 39 einzuschalten
aus einem Grund, der später erläutert werden wird. Wie schematisch in Fig. 1 gezeigt,
besitzt der Motor 40, der vom dem erfindungsgemäßen Oszillator gespeist wird, ein
Paar gleicher Feldspulen 45 und 46. Zusätzlich sind ein Paar in Serie geschaltete
Rückkopplungs- oder Kommutatorspulen 47, 47' angebracht. Die Feldspule 45 wird vom
Transistor 12 durch die Verbindung ihres einen Anschlusses mit dem Kollektor 32
und die Verbindung des anderen Anschlusses über einen Widerstand 61 mit dem negativen
Pol 15 gespeist. Die Feldspule 46 wird andererseits vom Transistor 13 gespeist.
wobei
ein Anschluß der Spule 46 mit dem Kollektor 33 verbunden ist und der andere Spulenanschluß
über einen Widerstand 62 am negativen Pol 15 liegt.
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Um den erfindungsgemäßen Oszillator zu vervollkommnen, sind ein Paar
von Rückkopplungsstromzweigen vorgesehen, deren einer über der Phasenumkehrstufe
und den Verstärkerstufen liegt, während der andere über die gesamte Einrichtung
einschließlich des Motors reicht. Der ersterwähnte Rückkopplungszweig besteht aus
einem Strombegrenzungswiderstand 56 und einem Kopplungskondensator 57, die in Serie
geschaltet zwischen der Basis 21 des Transistors 11 und der Verbindung des Widerstandes
61 mit dem einen Anschluß der Spule 45 liegen. Der zweiterwähnte Stromkreis enthält
einen Strombegrenzungswiderstand 65 und einen Kopplungskondensator 66 in Serie zwischen
der Basis 21 des Transistors 11 und einem Anschluß der Rückkopplungsspule 47'. Der
andere Anschluß der Spule 47' ist mit einen Anschluß der Spule 47 verbunden, deren
anderer Anschluß wiederum am Emitter 41 des Transistors 11 liegt. Um zu erreichen,
daß der Oszillator anschwingt, wenn er erstmalig eingeschaltet wird, ist vorzugsweise
noch ein anderer Rückkopplungszweig in Form eines Kondensators 81 und eines Widerstandes
82, die in Serie zwischen der Basis 22 des Transistors 12 und der Verbindung des
Widerstandes 62 mit dem einen Anschluß der Feldspule 46 liegen, vorgesehen.
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Die Fig. 2 zeigt den Motor 40 in seinen Einzelheiten. Der Motor 40
enthält einen kleinen zylindrischen Permanentmagnetanker 50, der fest auf der Welle
51 befestigt ist. Die Welle 51 trägt ihrerseits ein Ritzel 52, das in ein Zahnrad
53 eingreift und damit einen Teil der Übersetzung zwischen dem Motor und dem Uhrwerk
(nicht gezeigt) bildet. Da der Motor 50 mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit
läuft (bei einer Erregung von 60 Hz mit etwa 3600 Umdr./Min. und bei 50 Hz mit 3000
Umdr./Min.) ist es selbstverständlich notwendig, weitere Untersetzungszahnräder
zu verwenden, die jedoch keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden und der Übersichtlichkeit
halber weggelassen wurden. Eine Polanordnung 48, um die die Feldspulen 45 und 46
gewickelt sind, liefert das erregende Feld für den Anker 50. Im rechten Winkel zum
Pol 48 ist ein weiterer Pol 49 vorgesehen, der zur magnetischen Kopplung der Rückkopplungswicklung
47 und 47' an den Anker 50 dient, jedoch keine wesentliche Kopplung zu den Feldspulen
45 und 46 besitzt. Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Rückkopplungsspulen 47,
47' mehr oder weniger scheibenförmig und um gegenüberliegende Schenkel der Polanordnung
49 gewickelt.
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Im Betrieb, wenn erstmalig die Batteriespannung an den Oszillator
angelegt wird, bilden sich in den Feldspulen des Motors ziemlich langsame Schwingungen
aus, die relativ große Stromimpulse in den Feldspulen erzeugen, deren Frequenz in
der Nachbarschaft von 1 bis 2 Hz liegt. Dies rührt von einem Zusammenwirken der
Rückkopplungsstromzweige über die Kopplungskondensatoren 57 und 81 zur Phasenumkehrstufe
und den Verstärkerstufen her, sie erzeugen Relaxationsschwingungen wie z. B. in
einem mit Röhren aufgebauten Multivibrator. Dadurch wird ein entsprechend starkes
niederfrequentes Magnetfeld im Luftspalt des Ankers entstehen, das den Anker in
Bewegung setzt. Der Anlauf in nur einer der gewünschten Richtung wird durch die
Phasenbeziehung zwischen den durch die Spule 45 erzeugten Rückkopplungsströmen und
den Strömen von den Rückkopplungs- oder Kommutätorspulen 47 und 47' erreicht. Im
Fall, daß der Anker 50 sich in der falschen Richtung zu drehen beginnt, d. h. in
der Richtung, die ein Rückwärtsgehen der Uhr zur Folge haben würde, würde der Strom,
der von den Rückkopplungsspulen rückgekoppelt wird, den Strom, der von den Feldspulen
rückgekoppelt wird, aufheben und damit die Schwingungen schwächen, bis der Motor
zum Stillstand kommt. Andererseits, wenn sich der Anker in der richtigen Richtung
zu bewegen beginnt, werden die Schwingungen verstärkt, da sich die beiden Rückkopplungsströme
verstärken.
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Der Wert des Strombegrenzungswiderstandes 65 im Rückkopplungszweig
sollte im Verhältnis zum Wert des Widerstandes 56 klein gemacht werden, so daß der
Oszillator verhältnismäßig unempfindlich wird bezüglich Rückkopplungsströmen durch
den letzteren im Gegensatz zu den Rückkopplungsströmen durch den ersteren, da dieser
Strom mit wachsender Geschwindigkeit des Ankers wächst. Diese Bedingung wird noch
unterstützt durch die Spannungsteilerwirkung des Widerstandes 61 in Serie mit der
Spule 45. Auf diese Weise wird bewirkt, daß bei steigender Oszillatorfrequenz mehr
und mehr der Ausgangsspannung des Transistors 12 über der Feldspule 45 auftritt
und immer weniger über dem Widerstand 61. Daraus folgt, daß die Kommutatorspulen
47, 47' in erster Linie die Frequenz der Schwingungen steuern, solange der Anker
beschleunigt wird, und bewirken, daß die Frequenz steigt und der Anker beschleunigt
wird, bis Gleichgewichtsbedingungen eintreten.
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Das Gleichgewicht tritt ein, wenn die resultierende Phasenverschiebung
durch den Oszillator und die Phasenverschiebung des in der Kommutatorspule induzierten
Stromes Null wird. Um eine Übereinstimmung der Gleichgewichtsgeschwindigkeit des
Motors, die einer Oszillatorfrequenz entspricht, die in der Nähe der Frequenz des
Synchronisierungssignals, d. h. 50 oder 60 Hz liegt, zu erreichen, kann die Polanordnung
49 geringfügig gedreht werden, womit sich die Phase des Rückkopplungsstromes aus
den Rückkopplungsspulen ändert. Eine weitere Beeinflussung der Gleichgewichtsbedingungen
kann durch Wahl der Kondensatoren 38 und 39 geschehen. Die Kondensatoren 38 und
39 bilden einen Teil der Rückkopplungszweige in der Gegentaktverstärkerstufe und
erlauben, daß die Phasenverschiebungscharakteristik des Verstärkers mit Änderung
der Kapazitätswerte geändert werden kann. Durch geeignete Wahl der Größe der Kondensatoren
38 und 39 und/oder Justierung der Lage der Polanordnung 39 kann die unsynchronisierte
Schwingungsfrequenz des Oszillators und die Drehfrequenz des als Belastung des Oszillators
geschalteten Motors sehr genau auf die Netzfrequenz von einem relativ kleinen Synchronisierungssignal,
welches an die Anschlüsse 25 und 26 angelegt wird, in Takt mit der Netzfrequenz
gehalten werden. Es können selbstverständlich auch andere Maßnahmen zum Abgleich
der Eigenfrequenz des Oszillators verwendet werden, so z. B. die Einschaltung eines
abgleichbaren Phasenschiebers in den Rückkopplungszweig vom Motor.