DE2855083A1 - Elektronisches zeitmessgeraet mit einer einrichtung zur detektion des endes der lebensdauer der batterien - Google Patents

Description

L.-

EBAiJCHES S.A. Meuchatel

Elektronisches Zeitmessgerät mit einer Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien

909827/0806

Elektronisches Zeitmessgerät mit einer Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Zeitmessgerät mit einem Schrittmotor, das'eine Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien aufweist. Es sind bereits solche Einrichtungen bekannt, bei welchen die Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien durch eine Messung der Batteriespannung und durch einen l/ergleich derselben mit einem definierten Spannungspegel durchgeführt wird. Wenn die Batteriespannung diese Schwelle erreicht, zeigt die Uhr dem Benutzer an, dass das Ende der Lebensdauer der Batterien erreicht ist.

Solche Einrichtungen haben aber die nachfolgenden Nachteila. Wenn die definierte Spannungsschuielle für die Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien nicht nahe der Betriebagrenze des Schrittmotors ist, besteht die Gefahr, dass die Uhr dem Benutzer anzeigt, dass die Batterien am Ende ihrer Lebensdauer sein, obwohl sie ihren Dienst noch für einige Monate vei~.ehen könnten. Weiter ist es notwendig, in dsr Schaltung die erwähnte, definierte Spannungsschwella zu erzeugen, was bei der heutigen Technik einen Widerstand ausserhalb der integrierten Schaltung, d.h. eine zusätzliche Komponente in der Uhr erfordert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien vorzusehen, das die erwähnten Nachteile vermeidet. Gelöst wird diesB Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale.

Die erfindungsgemässe Einrichtung stützt sich auf die Verkürzung der Motorimpulse des Schrittmotors von Quarzuhren mit Analoganzeige. Diese Verkürzung ist im Prinzip bekannt und wird z.B. in den nachfolgend erwähnteD Schriften beschrieben.

909827/0806

In der Auslegeschrift CH 13 723/72 wird eine Einrichtung zur Detektion der Geschwindigkeit des Rotors eines Schrittmotors beschrieben, sowie Mittel zum Unterbrechen der Motorimpulse in Abhängigkeit eines durch die Detektionseinrichtung erzeugten Signales, wobei dieses Signal der maximalen RuLordreh— geschwindigkeit entspricht. Die Auslegeschrift CH 17 738/73 betrifft einen in der Uhrentechnik verwendbaren Spitzenwertdetaktor und ermöglicht durch Messung des Stromes in der Antriebsspule eine Bestimmung des Zeitpunktes, in welchem die Rotorgeschwindigkeit maximal ist. Endlich beschreibt das Patent CH 576 164 ein System, das unter anderem den Abschluss eines Drehschrittes des Motors detektiert und Mittel aufweist, um den Motorimpuls zu beenden, sobald der Detektor den Abschluss eines Schrittes angibt.

Die in den oben erwähnten Schriften beschriebenen Einrichtungen ermöglichen den Unterbruch der Motorimpulse in Funktion der Geschwindigkeit oder der Stellung des Rotors. In allen Fällen werden die Motorimpulse verkürzt.

Die erfindungsgemässs Einrichtung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Die Fig. 1 ein Diagramm des Motorstromes und des Motorimpulses; Die Fig. 2 ein Stromdiagramm eines mit Nennspannung gespeisten Motors; Die Fig. 3 sin Stromdiagramm eines mit Unterspannung gespeisten Motors; Die Fig. 4 ein Stromdiagramm eines mit Ueberspannung gespeisten Motors; Die Fig. 5 ein Schaltbild einer erfindungsgemässen Detektionseinrichtung; Die Fig. 6 die minimale Dauer eines Motorimpulses; Die Fig. 7 die maximale Dauer eines Motorimpulses; Die Fig. 8 den Strom Im, wenn die Dauer des Motorimpulses zwischen tmin und trnax liegt;

Die Fig. 9 sin dem Fall uon Fig. 8 entsprechendes Impulsdiagramm; Die Fig. 10 den Strom Im, wenn die Geschwindigkeit des Motors so ist, dass die Dauer t3 - to kürzer ist als tminj

909827/0806

<r~

(ο

Die Fig. 11 das dBm Fall von Fig. 10 entsprechende Impulsdiagramm; Die Fig. 12 den Strom Im, wenn die Geschwindigkeit des Rotors derart ist, dass die Dauer t3 - to länger ist als tmax;

Die Fig. 13 ein dem Fall von Fig. 12 entsprechendes Impulsdiagramm; Die Fig. 14 ein Impulsdiagramm, das dem Fall entspricht, in welchem die Geschwindigkeit des Motors derart ist, dass (t3 - to) kleiner ist als tmax; und Die Fig. 15 ein Impulsdiagramm für den Fall, dass die Geschwindigkeit des Motors derat ist, dass (t3 - to) grosser ist als tmax.

Die Fig. 1 zeigt den zeitlichen V/erlauf des Steuerstromas eines Schrittmotors. Zur Zeit to wird ein Motarimpuls Im an die Antriebsspule des Motors angelegt. Zwischen to und ti ist die Geschwindigkeit des Rotors klein und der Motorstrom Im wächst in Funktion der Zeitkonstante dBr Schaltung, dann, zwischen ti und t2 beschleunigt der Rotor und die in der Spule induzierte EMK vermindert den Strom Im, der bei t2 minimal wird, dieser Augenblick entspricht jenem, in dem die induzierte EMK maximal ist. Nach t2 verzögert sich der Rotor, der sich seiner neuen Lage nähert, so, dass der Strom zunächst stark ansteigt und dann konstant bleibt, bei t4 hält der Motor an; der Strom fällt vom Moment an, in dem der Motorimpuls unterbrochen wird, gegen Null.

Tatsächlich stellt man fest, dass bei t2 die maximale Geschwindigkeit des Rotors hinreichend ist, um das Widerstandsmoment zu überwinden, woraus sich ergibt, dass der Motorimpuls Im unterbrochen werden kann ohne dass die richtige Arbeitsweise des Motors nachteilig beeinflusst würde. In der Praxis wird die Detektion das Momentes, in welchem der Motorimpuls unterbrochen werden kann, mit einer AblBitungsschaltung durchgeführt, welche eine zur Steilheit des Stromes Im proportionale Ausgangsspannung liefert. Dieses Signal erreicht bei t3, eine kurze Z_eit nach t2, einen für die Verwendung geeigneten liiert. Folglich wird der Motorimpuls im Zeitpunkt t3 unterbrochen;

909827/0806

er ist also gegenüber einem bis t4 vorhandenen Impuls verkürzt. Es ist klar, dass ein verkürzter Impuls ermöglicht, die Energie einzusparen, die normalerweise dem Motor während des Abschnittes t3 - t4 geliefert wird.

Nachfolgend wird das System zur Verkürzung der Impulse zur Vereinfachung mit SRI bezeichnet. Es soll nun untersucht werden, wie das SRI in Funktion der Speisespannung auf den Motorstrom Im einwirkt.

a) Der Motor wird mit Nennspannung gespeist (Fig. 2)

Die Fig. 2 zeigt ein typisches Verhalten des Motorstromes Im in Funktion der Zeit. Im Zeitpunkt t3 unterbricht das SRI den Motorimpuls und man kann die Dauer t3 - to des verkürzten Impulses als Nennwert betrachten.

b) Der Motor wird mit Unterspannung gespeist (Fig. 3)

Wie im vorhergehenden Fall unterbricht das SRI den Motorimpuls bei t3, d.h. sobald die Steilheit des Stromanstiegas am Ausgang der Ableitungsschaltung eine verwendbare Spannung ergibt. Εχη Vergleich mit Fig. 2 zeigt, dass die Dauer t3 - to des Motorimpulses bei Unterspannung langer ist als im Falle, in welchem der Motor mit Nennspannung gespeist wurde.

c) Der Motor wird mit Ueberspannunq gespeist (Fig. 4)

In diesem Falle hat der Motorimpuls einen Dauer t3 - to, welche kürzer ist als bei einem mit Nennspannung gespeisten Motor.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass, wenn die Speisespannung absinkt und der Motor sich seiner Betriebsgrenzs nähert, das SRI automatisch die Dauer der Motorimpulse verlängert.

Als Folge davon ermöglicht eine geeignete Schaltung, welche anspricht, wenn die Motorimpulse systematisch lang sind, d.h. wenn sich der Motor seiner Betriebsgrenze nähert, zu detektieren, dass die Batterien am Ende ihrer

909827/0806

Lebensdauer angelangt sind, und ein Signal abzugeben, dass sie gewechselt werden müssen.

Die Fig. 5 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Detektionseinrichtung genäss der Erfindung. Die Schaltung weist einen Quarzoszillator 6 auf, der eine Teilarkette 7 speist, welche an einem ersten Ausgang a ein 128 Hz—Signal für den Takteingang CS eines D-Flip-Flops FF1 abgibt, ferner an einem zweiten Ausgang b ein 32 Hz-Signal an den Eingang sines Inverters 4, an die Anode einer Sperrdiode d2 und an einen ersten Eingang eines UND-Tores 1, und endlich an einem Ausgang c ein 1 Hz-Signal an den Eingang IN einer Logik— und Impulsgeneratorschaltung G1. Der Schrittmotor M wird durch die Ausgänge SRI und SM2 der Schaltung G1 gespeist. Ein Ausgang Sp von G1 ist mit dem Eingang D1 von FF1 verbunden, dessen Rückstelleingang auf dem Pegel "1" ist, ferner mit dem zweiten Eingang von Tor 1 und mit dem Takteingang c€1 eines ersten durch 10 teilenden Zählers Z1. Der Ausgang des Tores 1 iot mit dem Takteingang eines zweiten, durch 10 teilenden Zählers Z2 verbunden. Ein Ausgang SI der Schaltung G1 ist mit dBm Eingang einer Ableitungsschaltung C1R1 verbunden, deren Ausgang mit dem Eingang eines Inverters T1, T2 verbunden ist. Der Ausgang des Inverters ist mit dem Takteingang Cf eines D-Flip-Flops FF2 verbunden, dessen Eingang D2 auf dem logischen Pegel "1" ist. Der Ausgang des Inverters 4 ist mit dem Eingang einer Ableitungsschaltung C2R2 verbunden, deren Ausgang mit dem Rückstelleingang R2 von FF2 verbunden ist. Der Ausgang Q2 von FF2 ist mit einem er:;ten Eingang eines UND-Tores 2 verbunden. Der zweite Eingang des Tores 2 ist mit dem Ausgang Q1 von FF1 verbunden. Der Ausgang des Tores 2 ist mit der Anode einer Sperrdiode d1 verbunden, deren Kathode mit einem an Masse angeschlossenen Widerstand R3¹ und mit dem Eingang einer Ableitungsschaltung C3R3 verbunden ist, deren Ausgang mit einem Eingang Ico der Schaltung G1 und mit dem Ausgang einer Ableitungs-

909827/0806

schaltung C6R6 verbunden ist, deren Eingang mit einem Widerstand R6¹ und mit der Kathode der Diode d2 verbunden ist. Der Ausgang des Zählers Z1 ist mit dem ersten Eingang eines UND-Tores 3 und mit dem Eingang einer Integrationsschaltung R4C4 verbunden, daran Ausgang über einen Inverter 5 mit den Rückstelleingängen R1 und R2 der Zähler Z1 und Z2 verbunden ist. Der Ausgang des Zählers Z2 ist mit dem zweiten Eingang des Tores 3 und mit dem Eingang einer Integrationsschaltung R5C5 verbunden, deren Ausgang mit dem Takteingang c£ eines D-Flip-Flops FF3 verbunden ist. Der Ausgang des Tores 3 ist mit dem Eingang D3 von FF3, während der Ausgang Q3 dieses Flip-Flops mit einem Eingang A einer nicht gezeigten Uhrlogik verbunden ist.

Dia Schaltung nach Fig. 5 setzt sich im Prinzip aus zwai Teilen zusammen: Das System für dia Verkürzung der Impulse (SRI) und das System für dia Detektion der Länge der Motorimpulsa. Die Arbeitsweise des Systems SRI soll nachfolgend zuerst beschrieben werden.

Am Ausgang Sp von G1 ist das unipolare Abbild der MotorimpulsB vorhanden, während das unipolare Abbild des Motoratromes Im als Spannung am Ausgang SI vorhanden ist. Der Eingang Ico unterbricht die Motorimpulse, uienn er einen positiven Impuls erhält.

Das System SRI des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 weist die folgenden Kanndaten auf:

- der bJart der Ableitung, auf welchen SRI reagieren soll, wird durch dia Werte von C1 und R1 bestimmt)

- die minimale Dauer das Motorimpulaes Ijn ist gleich der Halbperiode des 128-Hz- Signales: tmin = 1/2 . 128 = 3,91 ms (Fig. 6);

- die maximale Dauer das Motorimpulses IM ist gleich der Halbperiode des 32-Hz-Signales: tmax = 1/2 . 32 = 15,6 ms (Fig. 7).

909827/0806

Es soll nun der Fall betrachtet werden, in welchem die Dauer (t3 - to) zwischen tmin und tmax liBgt. Die Fig. 8 zeigt den Motorstrom Im und Fig. 9 Signale an verschiedenen Punkten des Schaltbildes nach Fig. 5. Der Motorimpuls wird zum Zeitpunkt to an die notarklemmen angelegt und nach einer Zeit tmin = 3,91 ms liefert der 128-Hz-Ausgang a einen Taktimpuls an FF1, dessen Ausgang Q1 auf den logischen Pegel "1" geht, u/as Tor 2 öffnBt. Wenn die Ableitschaltung C1R1 zum Zeitpunkt t3 ein Signal an den Inverter T1, T2 liefert, bewirkt das Ausgangssignal des letzteren das Kippen von FF2, dessen Ausgang Q2 auf den logischen Pegel "1" geht, so dass ein logischer Pegel "1" am Ausgang won Tor 2 erscheint. Im Augenblick dBS Liebergangs des Ausgangs— signales von Tor 2 von "0" auf "1", liefert die Ableitungsschaltung C3R3 einen positiven Impuls an den Eingang Ico der Schaltung G1, was den Motorimpuls unterbricht. Die Dauer desselben ist daher t3 - to, also zwischen tmin und tmax. FF2 wird im Zeitpunkt t4 bei der Ankunft der vorderen Flanke des nächsten 32-Hz-Impulses auf b zurückgestellt, und zwar über den Inverter 4 und die Abloitschaltung C2R2, eine Halbperiode von 32 Hz nach dem Beginn des Motorimpulses bei to. FF1 wird durch den 128—Hz—Impuls an a, der auf den Zeitpunkt t3 folgt, zurückgestellt.

Es soll nun der Fall betrachtet werden, in welchem die Dauer (t3 — to) kürzer ist als tmin. Die Fig. 1D zeigt den Motorstrom Im und die Fig. 11 SignalB an verschiedenen Punkten des Schaltbildes von Fig. 5. Der Motorimpuls wird zum Z_Bitpunkt to an den Motor angelegt. Solange der durch das 128-Hz-Signal auf a gesteuerte Flip-Flop FF1 noch nicht gekippt hat, bleibt Tor 2 geschlossen. Folglich steuert, falls der Motor rasch dreht, die Ableitschaltung C1R1 FF2 an, der einen logischen Pegel "1" an den Eingang von Tor 2 legt, das aber durch FF1 noch verriegelt ist. Einen. Zeitabschnitt tmin nach to bringt das 128-Hz-Signal an a FF1 zum Kippen und dar Ausgang von Tor 2 geht vom PBgel "0" auf Pegel "1". Dieser Uebergang erzeugt über die

909827/0806

Ableitschaltung C3R3 einen positiven Impuls für den Eingang lca von G1, eelche den flotorimpuls unterbricht. Seins Dauer ist daher gleich tmin. Die Flip-Flops FF2 und FF3 werden gleich wie im vorausgegangenen Fall zurückgestellt.

Schliesslich soll noch der Fall betrachtet werden, in u/elchem die Dauer (t3 - to) grosser als tmax ist. Die Fig. 12 zeigt den Flotorstrom Im und die Fig. 13 Signale an verschiedenen Punkten des Schaltbildes nach Fig. 5. Wie vorher uiird der Motorimpuls bei to an den Motor angelegt. Wenn der Motor sich nicht gedreht hat, hat die Schaltung C1R1/FF2 nicht angesprochen und der Ausgang Q2 ist auf Pegel "0". Der flotorimpuls bleibt also an den Motor angelegt bis zum Zeitpunkt t3, in welchem die vordere Flanke des 32-rHz-Signales an b über die Ableitschaltung C6R6 einen positiven Impuls an den Eingang Ico von G1 anlegt, was den flotorimpuls unterbricht, dessen Dauer (t3 - to) gleich tmax war.

Die obige Beschreibung der Arbeitsweise des 5ystemes SRI zBigt, dass die Dauer der Motorimpulse immer zwischen tmin und tmax liegt. Es war ersichtlich, dass der Impuls die Dauer von tmax erreichen kann, wenn die Batterie— spannung gering ist. Diese Dauer kann daher verwendet werden als Kriterium für das Einschalten einer Anzeige für das Ende der Lebensdauer der Batterie.

Es wird nun das System für die Detektion der Länge der Impulse beschrieben. Das Schaltbild dieses Detektionssystems iat in Fig. 5 enthalten. Es soll zunächst das Verhalten der Schaltung betrachtet werden, wenn die Dauer (t3 - to) des Motorimpulses zwischen tmin und tmax liegt. Fig. 14 zeigt das entsprechende Impulsdiagramm. Das Signal am Ausgang Sp der Schaltung G1 wird als Taktimpuls für den auf 10 zählenden Zähler Z1 verwendet. Daraus folgt, dass der Zähler Z1 bei jedem flotorimpuls betätigt wird. Wenn er den zehnten Impuls erhält, geht sein Ausgang S101 vom logischen Pagel "0" auf den Pegel "1".

909827/0806

2855Ü83

Dieses Signal wird durch die Schaltung R5C5 integriert, deren Ausgangssignal über den Inwerter 5 die Rückstellung der Zähler Z1 und Z2 bewirkt. Die Fig. 14 zeigt, dass die Eingänge (Signal Sp und 32-Hz-Signal auf b) von Tor 1 niemals gleichzeitig auf Pegel "1" sind. Das Tor 1 bleibt daher geschlossen, so dass der Zähler Z2 nicht zählt. Sein Ausgang S302 bleibt auf Pegel "0". Das Tor 3 bleibt geschlossen, der Flip—Flop FF3 arbeitet nicht und sein Ausgang Q3 ist immer auf Pegel "0". Daher erhält die Uhrlogik bei normalem Betrieb des Motors von der Schaltung nach Fig. 5 kein Signal auf A.

Wenn die Dauer (t3 — to) grosser ist als tmax, ist die Arbeitsweise des De— tektionssystems die folgende, liiie vorher wird der Zähler Z1 böi jedem Motorimpuls betätigt. Die Fig. 15 zeigt, dass die beiden Eingänge von Tor 1 während eines kurzen Zeitabschnittes gleichzeitig auf Pegel 1" sind, was den Zähler Z2 zählen lässt. Wenn die Ausgänge S101 und S102 der Zähler Z1 und Z2 beim zehnten Eingangsimpuls gleichzeitig auf Pegel "1" gehen, geht der Ausgang von Tor 3 von "0" auf "1", was FF3 kippen macht, so dass sein Ausgang Q3 von "0" auf "1" geht. Dies wird von der Uhrlogik als Befehl für das Einschalten einer Anzeige für das Ende der Lebensdauer der Batterien betrachtet.

Das Hinzufügen eines Detetkionssystems für die Impulslänge zu einem System SRI ermöglicht also die Realisierung einer Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer dBr Batterien, welche besonders wirksam ist, da sie den tatsächlichen Entladungszustand der Batterie berücksichtigt und dessen Einfluss auf die Motorimpulse des Schrittmotors. Die Einrichtung ist ver— hältnismässir einfach und bietet sich an für ein Integration in den Herstellungsprozess der integrierten Schaltung dBS Zeitmessgerätes.

909827/0808

Die den Gegenstand won Fig. 5 bildende Schaltung ist eine mögliche Ausführungsform der Erfindung. Es ist natürlich klar, dass andere Ausführungsformen, bei welchen eire Datektionsschaltung für die Länge der Motorimpulse einer Schaltung SRI zugeordnet .wird, ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.

909827/0806

Leerseite

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE

   π J Elektronisches Zeitmessgerät mit einer Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien, das einen Oszillator aufiueist, ferner eine Frequenzteilerkette, ein System zum Verkürzen der Plotorimpulse, eine Uhrlogik, eine Steuerlogik und einen Schrittmotor, dadurch gekennzeichnet, dass es sin dem System zur Verkürzung der Motorimpulse zugeordnetes System zur Detektion der Länge dieser Plotorimpulse aufweist, und dass'das Ausgangssignal des genannten Detektionsystems mit Hilfe der genannten Uhrlogik eine Signalisierung des Endes der Lebensdauer der Batterien bewirkt.
2. 2. Zeitmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte DBtBktionssystem einerseits zuiei Zähler (Z1, Z2) aufweist, wobei der erste Zähler (Z1) von der genannten Steuerlogik (G1) Impulse dsr gleichen Frequenz wie jene der an den Schrittmotor abgegebenen Impulse erhält, während der zweite durch eine Logik (i) gesteuerte Zähler (Z2) diese Impulse nur dann erhält, wenn die durch das genannte System zur Verkürzung der Motorimpulse bestimmte Dauer dieser Motorimpulse einen maximalen Grenzwert erreicht, der einem bestimmten Entladungszustand der Batterien entspricht, und anderseits eine logische Schaltung (3, FF3), welche im Falle der üebereinstimmung der logischen Zustände der Ausgänge der Zähler (Zl, Z2) ein Signal abgibt, das das Ende der Lebensdauer der Batterien für die genannte Uhrlogik angibt.
3. 3. Zeitmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Logik (1) sin UND-Tor ist, das dia Verknüpfung dar durch den Ausgang (Sp) der Steuerlogik (G1) gelieferten Impulse der MotorfrsquBnz mit ainem von einem Ausgang (b) der FrequenztBilsrkatte (7) gelieferten Signal durchführt,

   909827/0806

   wobei der Ausgang der genannten Logik (1) mit dBm Takteingang (Ci2) des zweiten Zählers (Z2) verbunden ist.
4. 4. Zeitmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte logische Schaltung ein UND-Tor (3) aufweist, das die Verknüpfung der logischen Pegal der Ausgänge (S1Q1, S1D2) der Zähler (Z1, Z2) durchführt, wobei der logische Ausgangspegel des genannten Tores (3) in einem Flip-Flop (FF3) gespeichert uird, dessen Ausgang (Q3) mit einar Klemme (A) der Uhrlogik v/erbunden ist.
5. 5. Zeitmessgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dar genannte Ausgangspegel des Tores (3) in dem Augenblick gespeichert wird, in welchem am Ausgang (S102) des zweiten Zählers (Z2) ein logisches Signal erscheint, das das Qeffnen des genannten Tores (3) bewirken kann.
6. 6. Zeitmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähler (Z1, Z2) durch die Integration des Signales am Ausgang (SIQ]) des ersten Zählers (Z1) in einer Integrationsschaltung (R4C4) zurückgestellt werden, wobei die Integrationsschaltung uon einem Inverter (5) gefolgt ist.

   909827/0808