DE1773349A1

DE1773349A1 - Elektromechanische Oszillatorschaltung zur Erzeugung von Antriebsimpulsen fuer den zeithaltenden Impulssynchronmotor einer aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten elektrischen Uhr

Info

Publication number: DE1773349A1
Application number: DE19681773349
Authority: DE
Inventors: Christie Petrides
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-05-04
Filing date: 1968-05-04
Publication date: 1971-03-04
Also published as: CH666568A4; US3497782A; GB1200518A; FR1562628A; CH501960A

Description

Potentanwalte Dipi.-lng. W. Scherrmann Dr.-lng. R. Rüger

75 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 9, Postfach 348

3. Mai 1968 ^{ΤβΙβ>οη}

PA 46 rüba ^{stutt9arl (0711>ϊ56539}

Telegramme Patentschutz Esslingennedcsr

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady,

New York, 12 305 N.Y. / USA

Elektromechanische Oszillatorschaltung zur Erzeugung von Antriebsimpulsen für den zeithaltenden Impulssynchronmotor einer aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten

elektrischen Uhr

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Oszillatorschaltuns zur Erzeugung von Antriebs impulsen für den zeithaltenden Impulssynchronmotor einer aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten elektrischen Uhr, bei der ein durch elektromagnetische Antriebsmittel angetriebener mechanischer Oszillator mit auf die Oszillatorschwingungen ansprechenden und diesen entsprechende Wechselstromsignale erzeugenden Steuermitteln zusammenwirkt, die über Transistoren die Antriebsmittel steuern.

Elektromechanische Oszillatorschaltungen für batteriegespeiste elektrische Uhren, bei denen ein elektromechanischer Oszillator eine Folge genau zeithaltlg aufeinanderfolgender Impulse zum Antrieb eines Impulauhrwerkmotors erzeugt, sind schon in einigen Ausführungsformen vorgeschlagen worden.

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Die OszillatorSchaltungen solcher Uhren verwenden in der Regel einen mechanischen Oszillator, der ein oder zwei scheibenartige Permanentmagnete enthält, die auf einem Torsionsdraht angeordnet sind und in der Nähe einer Antriebsspule sowie einer Steuerspule sich befinden. Bei neueren Ausführungsformen sind die Antriebsund die Steuerspule auf einen gemeinsamen Kern gewickelt, während lediglich ein Magnet Verwendung findet. Dieser Magnet ist auf einer flachen Torsionsfeder angeordnet,

* und zwar derart, daß er unter der Einwirkung der Antriebsspule schwingt. Ein lIPN-SiMziumtransistor empfängt die in der -Steuerspule induzierten Signale, verstärkt diese Signale und speist sie wieder zurück in die Antriebsspule ein, so daß sich ein elektromechanischer Oszillator ergibt. Die gleichen Signale werden der Basis eines PNP-Germanium-Verstärkertransistors zugeführt, der die verstärkten Stromimpulse den Statorwicklungen eines Impulssynchronmotors zuleitet. Die Schaltkreise sind derart ausgebildet,

k daß der Oszillatortransistor und der Verstärkertransistor zur gleichen Zeit in ihrem "Ein"- oder "Aus"-Zustand sind.

Obwohl diese bekannten Schaltungen über beträchtliche Vorzüge verfügen, weisen sie doch gewisse Nachteile auf, denen abzuhelfen wünschenswert wäre. So wäre es z. b. vorteilhaft, wenn das Maß der Kopplung zwischen den beiden Stufen verringert werden könnte, bei den bekannten Schaltungen liegt die Antriebsspule zwischen den BaBis-Emitteranschlüssen des VerBtärkertransistors, so daß eine

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unerwünschte Rückkopplung auftritt. Darüber hinaus wäre es vom wirtschaftlichen Standpunkt aus erwünscht, zwei gleiche Transistoren, vorzugsweise Siliziumtransistoren, verwenden zu können, weil diese weniger temperaturempfindlich und auch billiger als die Germaniumtransistoren sind. Obwohl Siliziumtransistoren an sich weniger temperaturempfindlich als Gernaniurutransistören sind, wäre es auch vorteilhaft, in der Schaltung eine Art Temperaturkomensation zu haben, um damit die Temperaturabhängigkeit der Schaltung zu verringern. Die Impedanz des Antriebsspulen- ^ kreises ist bei den bekannten Schaltungen von der Temperatur abhängig, was eine unerwünschte Temperaturabhängigkeit der Amplitude der mechanischen Oszillatorschwingung zur Folge hat.

Ziel der Erfindung ist es, den erwähnten Nachteilen abzuhelfen und eine in diesem Sinne verbesserte Oszillatorschaltung zu schaffen. Zu diesem Zwecke ist die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu den Antriebsmitteln des Oszillators und der Spannungsquelle ein erster stromsteuernder auf einen Arbeitspunkt in der Nähe der Sättigung vorgespannter Transistor mit einem Ausgangszustand niedriger Impedanz und einem zweiten Zustand hoher Impedanz liegt, der durch ein Wechselstromsignal vorbestimmter Polarität der Steuermittel aus dem Ausgangszustand in den Zustand hoher Impedanz überführbar ist, wobei in Reihe zu dem Synchronmotor und der Spannungsquelle zweite stromsteuernde Steuermittel mit einem Zustand niedriger Impedanz und einem Zustand hoher Impedanz 1098 10/08 U BAD ORIGINAL

geschaltet sind, die auf den Stromfluß durch den ersten stromsteuernden Transistor ansprechen und deren Impedanz· zustände in Abhängigkeit davon umschaltbar sind.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung der Uhr gemäß der Erfindung teilweise in schematischer und teilweise in bildlicher Darstellung,

Fig. 2 das Uhrwerk einer Uhr gemäß der Erfindung im Querschnitt zur Veranschaulichung der Einzelteile ^ und

Fig. 3 den mechanischen Oszillator des Uhrwerks nach Fig. 2 in perspektivischer Darstellung.

In Fig. 1 ist die Schaltung einer elektrischen Uhr dargestellt, deren Steuerspule für den Oszillator bei IO dargestellt ist, während die Antriebsspule des Oszillators bei 12 angedeutet ist, Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind beide Spulen auf dem gleichen Kern aufgewickelt. Die Steuerspule 10 liegt im Basiskreis des Oszillator-Transistors 14, der ein NPN-Sillziumtransistor ist. Zwischen der Emitterelektrode des Transistors 14 und dem anderen Ende der Steuerspule 10 liegt ein 50 /uF-Kondensator 16, während ein 10 000 Ohm-Widerstand 18 und ein 0,1 uF-Kondensator 20 parallel zueinander zwischen den Kollektor des Transistors 14 und das andere Ende der Steuerspule 10 eingeschaltet sind. Ein Ende der Antriebsspule 12 iei über einen 4700 Ohm-Widerstand 22 mit dem Kollektor

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des Transistors I¹I verbunden, während das andere Ende der Antriebsspule 12 an einen 47 000 Ohm-Widerstand 24 und die positive Klemme einer Batterie 26 angeschlossen ist. Der Widerstand 24 ist mit seinem anderen Ende mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt des Kondensators 16, der Steuerspule 10,des Widerstandes 18 und des Kondensators 20 verbunden. Der Kollektor des Transistors 14 ist über einen 10 000 Ohm-Widerstand 28 an die Basis eines Schalttransistors 30 angeschlossen, der ähnlich dem Transistor 14 als NPN-Siliziumtransistör ausgebildet ist.

Der Emitter des Transistors 30 ist mit dem Emitter des Transistors 14 und dem negativen Pol einer 1,5 V-Batterie 26 verbunden, während ein 2 xiF-Kondensator 32 zwischen den Kollektor-Emitteranschlüssen des Transistors 30 liegt. Die Feldspulen 34, 36 des Uhrwerkmotors liegen in Reihe zwischen dem Kollektor des Transistors 30 und der positiven Klemme der Batterie 26; sie sind auf einem U-förmigen geblechten Stator 38 angeordnet, der in zwei U-förmigen Teilen 40, 42 endet, welche einen Permanentrotor 44 umgreifen (Fig. 2).

Aus Fig. 2 ist die Art der Unterbringung der einzelnen Teile des Uhrwerks in dem Uhrgehäuse ersichtlich. Das Uhrgehäuse 46 enthält einen Impuls-Permanentmagnet synchronmotor mit den auf dem Stator 38 mit den U-förmigen Teilen 40, 42 angeordneten Feldspulen 34, 36. Die Enden der U-förmigen Teile bilden Polstücke 48, 50, 52, 54, die in

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der Nähe des Rotors 44 liegen. Die Batterie 2b ist in einem Gehäuse 56 untergebracht. Der Rotor 44 ist mit einem Räderzug 58 gekuppelt, der über einen konzentrischen Triebstock 60 zwei nicht weiter dargestellte Zeiger antreibt.

Im rechten Teil des Uhrgehäuses 46 ist der mechanische Teil 62 des in Fig. 3 im einzelnen dargestellten elektromechanischen Oszillators untergebracht, welcher auf einer ä Seite der Werkplatte 64 angeordnet ist. Der Oszillator verfügt über zwei Halter 66, 68, zwischen denen sich ein Torsionsglied 70 in Gestalt eines flachen Federdrahtes erstreckt, das zwischen paarweise angeordneten Klemmschier.er. 72, 74 eingeklemmt ist. Auf dem Torsionsglied sitzt ein teilweise scheibenförmiger Permanentmagnet 76, der i?: eine rechteckige öffnung 73 eines Spulenkörpers ragt, auf den die Steuerspule 10 und die Antriebsspule aufgewickelt sind. Das Torsionsglied 70 schwingt mit seiner Eigenfrequenz, die von der Länge zwischen den Klemnschienen " 72, 74 und seiner Spannung abhängen. Zufolge der Oszillation des Torsionsgliedes 70 führt auch der Permanentmagnet

nerhalb eine Oszillationsbewegung aus, wodurch in/der Steuerspule

10 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird durch den Widerstand der Transistor 14 so vorgespannt, daß sein Arbeitspunkt in der Nähe der Sättigung liegt. Der Permanentmagnet 76 induziert bei seiner Oszillation innerhalb der Steuer-

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spule 10 einen Wechselstrom in der Steuerspule, der,der Basis des Transistors 14 zugeführt, den Transistor abwechslungsweise in die Sättigung und aus dieser wieder zurück bringt. Während der Sättigungsperiode ist die Spannung am Kollektor niedrig, weil der Transistor 14 im "Ein"-Zustand ist. Während dieser Periode fließt natürlich ein maximaler Strom durch die Antriebsspule 12, um den Permanentmagneten 76 anzutreiben. Da die niedere Kollektorspannung des Transistors 14 über den Widerstand 28 an der Basis des Transistors 30 liegt, befindet sich dieser als Schalter betriebene Transistor im Zustand der hohen Impedanz. Demgemäß ist der durch diesen Transistor fließende Kollektor-Emitterstrom ein Minimum, so daß die Feldspulen 34, 36 des Motors im wesentlichen entregt sind.

Es sei nun angenommen, daß der Permanentmagnet 76 den Umkehrpunkt der Oszillationsbewegung erreicht habe und die Rückkeherbewegung einsetze. Hierbei induziert er in der Steuerspule 10 einen Strom entgegengesetzter Polarität, der, der Basis des Transistors zugeführt, diesen aus der Sättigung zurückführt. Der Transistor 14 geht somit von dem Zustand geringer Impedanz in jenen hoher Impedanz über, wodurch der Stromfluß durch die Antriebsspule 12 verringert wird. Gleichzeitig steigt seine Kollektorspannung, durch die, da sie an der Basis des Transistors 30 liegt, der Transistor 30 in den Zustand geringer Impedanz umgeschaltet wird. Damit kann ein Impuls des Batteriestroms durch die Feldspulen 34, 36 fließen und den Motor

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erregen. Dieser zyklische "Ein"/"Aus"-Betrieb des Transistors 30 ist durch die Frequenz des mechanischen Oszillators bedingt, der somit als Regulator des Systems wirkt,

Der Kondensator 16 bildet einen Stromweg geringer Impedanz für die in der Steuerspule 10 induzierten Signale, während er gleichzeitig einen Gleichstromfluß von der Batterie 2b zur Antriebsspule 12 sperrt. Durch den Kondensator 20 wird ein niederimpedanter Weg für hochfrequente Schwingungen Λ geschaffen, die wegen der Kopplung zwischen den Spulen 10 und 12 auftreten können, so daß verhindert wird, daß der Transistor lh sich zu hochfrequenten Schwingungen erregt.

Zusätzlich zu der gegenüber bekannten Schaltungen durch die Verwendung zweier gleicher Transistoren erzielten Einsparung werden eine Reihe weiterer Vorteile erzielt. So ergibt sich als erstes, da die Antriebsspule 12 nicht mehr zwischen den Basis-Emltteranschlüssen des Transistors 30 liegt, eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich der Entkoppelung, wobei praktisch keine Rückkopplung von der Antriebsspule 12 auftritt. Als zweites sind Siliziumtransistoren wesentlich weniger temperaturempfindlich als Germaniumtransistoren, so daß sich eine verringerte Veränderung der Impedanz des Antriebsspulenerregerkreises in Abnänglgkeit von Temperaturänderungen ergibt. Die Amplitude der Oszillationen bleibt damit selbst über verhältnismäßig große Temperaturbereiche konstant, wodurch sich ein verringerter Zeitlehier ergibt. Ein drittes

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wichtiges Merkmal der Erfindung beäeht in ihrer Fähigkeit der automatischen Kompensation von Temperaturänderungen. Dies ist aus Fig. ί leicht verständlich:

Sollte die Temperatur ansteigen, so nirmt auch der Kollektor-Emitterstrom des Transistors 14 zu. Diese Zunahme würde aber die Kollektorklemmenspannung des Transistors 14 verringern; durch die so bedingte Verringerung dieser an der Basis des Transistors 30 liegenden Spannung wird eine Verringerung des Kollektor-Emitterstromes durch den Transistor 30 bewirkt, was jedoch in direktem Gegensatz zu der Temperatureinwirkung auf den Transistor steht. Damit wird eine erhebliche aöLbsttätige Temperaturkompensation erzielt.

Auf ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltung soll noch hingewiesen werden. Es ist dies das "Selbstanlaufvermögen". Sowie die Batterie 26 eingesetzt oder der Schaltkreis auf anderem Wege geschlossen ist, erhält der Oszillatortransistor 14 eine Eigenvorspannung bis in die Nähe der Sättigung. Demgemäß ist seine Ausgangsimpedanz niedrig, so daß der Schalttransistor 30 im "Ein"-Zustand sich befindet und die Hotorspulen erregt werden. Sowie die Oszillationen einsetzen, führen von der Steuerspule kommende Signale den Arbeitspunkt des Transistors 14 von der Sättigung weg und diesen für die Länge etwa einer halben Periode in den Zustand hoher Impedanz und sodann für den Rest der Periode wieder in den Sättigungszustand zurück.

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Unter der Wirkung dieser Oszillationen wird der Transistor 30 aus seinem ursprünglichen Zustand niedriger Impedanz in Jenen hoher Impedanz überführt, so daß er zur Vorbereitung des nächsten Impulses die Kotorspulen "aus"-schaltet.

In der vorhergehenden Beschreibung wurden spezifische Werte für die einzelnen Schaltelemente angegeben. Dies ist jedoch nur im Sinne der Veranschaulichung eines Aus- λ führungsbeispieles zu verstehen; im Rahmen der Erfindung 1st der Schaltkreis einer Reihe von Abänderungen fähig. Demgemäß soll auch die Beschreibung des Ausführungsbeispieles keine Beschränkung der Erfindung in irgendeinem Sinne darstellen.

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Claims

It

Patentansprüche

1. Elektromechanlsche Oszillatorschaltung zur Erzeugung von Antriebsimpulsen für den zeithaltenden Impulssynchronmotor einer aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten elektrischen Uhr, bei der ein durch elektromagnetische Antriebsmittel angetriebener mechanischer Oszillator mit auf die Oszillatorschwingungen ansprechenden und diesen entsprechende Wechselstromsignale erzeugenden Steuermitteln zusammenwirkt, die über Transistoren die Antriebsmittel steuern, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu den Antriebsmitteln (12) des Oszillators (62) und der Spannungsquelle (26) ein erster stromsteuernder auf einen Arbeitspunkt in der Nähe der Sättigung vorgespannter Transistor

mit einem Ausgangszustand niedriger Impedanz und einem zweiten Zustand hoher Impedanz liegt, der durch ein Wechselstromsignal vorbestimmter Polarität der Steuermittel aus dem Ausgangszustand in den Zustand hoher Impedanz überführbar ist, und daß in Reihe zu dem Synchronmotor (3^-44) und der Spannungsquelle (26) zweite stromsteuernde Steuermittel (30) mit einem Zustand niedriger Impedanz und einem Zustand hoher Impedanz geschaltet sind, die auf den Stromfluß durch den ersten stromsteuernden Transistor (14) ansprechen und deren Impedanzzustände in Abhängigkeit davon umschaltbar sind.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Steuermittel (10) im Basiskreis des Transistors (14) liegen.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten stromsteuernden Steuermittel ein im Schaltbetrieb arbeitender Transistor (30) sind.

4. Schaltung nach Anspruch "1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste stromsteuernde Transistor (14) und die zweiten stromsteuernden Steuermittel (30) jeweils ein lIPil-Transistor sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Basiskreis des ersten stromsteuernden Transistors (14) die Steuermittel (10) liegen und der zweite im Schaltbetrieb arbeitende stromsteuernde Transistor (30) mit seiner ßasis mit dem Kollektor des ersten Transistors

(14) verbunden ist.

oder 5

b, Schaltung nach Anspruch 1/, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Oszillator (62) ein gespannter Torsionsdraht (70) ist, auf dem ein Permanentmagnet (7b) angeordnet ist,

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Antriebsmittel und die elektromagnetischen Steuermittel Jeweils eine elektrische Spule (12 bzw, 10) aufweisen, die mit dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten (76) verkettet sind.

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