DE2855083B2 - Elektronisches Zeitmeßgerat mit einer Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien - Google Patents

Description

gespeisten Motors,

Fig. S ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung,

Fig. 6 die minimale Dauer eines Motorimpulses, Fig. 7 die maximale Dauer eines Motorimpulses,

Fig. 8 den Strom Im, wenn die Dauer des Motorimpulses zwischen tmin und tmax liegt,

Fig. 9 ein dem Fall von Fig. 8 entsprechendes Impulsdiagramm,

Fig. 10 den Strom Im, wenn die Geschwindigkeit des Motors so ist, daß die Dauer /3—to kürzer ist als tmin,

Fig. 11 das dem Fall von Fig. 10 entsprechende Impulsdiagramm,

Fig. 12 den Strom Im, wenn die Geschwindigkeit des Motors derart ist, daß die Dauer t3-to langer ist als tmax,

Fig. 13 ein dem Fall von Fig. 12 entsprechendes irnpuisuiagrairiüi,

Fig. 14 ein Impulsdiagramm, das dev.i Fall entspricht, in welchem die Geschwindigkeit d^s Motors derart ist, daß (/3—to) kleiner ist als tmax, und

Fig. 15 ein Impulsdiagramm für den Fall, daß die Geschwindigkeit des Motors derart ist, daß (/3-fo) größer ist als tmax.

Die Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf des Steuerstromes eines Schrittmotors. Zur Zeit to wird ein Motorimpuls Im an die Antriebsspule des Motors angelegt. Zwischen to und /1 ist die Geschwindigkeit des Rotors klein und der Motorstrom Im wächst in Funktion der Zeitkonstante der Schaltung, dann, zwischen Il und ti beschleunigt der Rotor und die in der Spule induzierte EMK vermindert den Strom Im, der bei ti minimal wird, dieser Augenblick entspricht jenem, in dem die induzierte EMK maximal ist. Nach ti verzögert sich der Rotor, der sich seiner neuen Lage nähert so, daß der Strom zunächst stark ansteigt und dann kons.ant bleibt, bei /4 hält der Motor an; der Strom fällt vom Moment an, in dem der Motorimpuls unterbrochen wird, gegen Null.

Tatsächlich stellt man fest, daß bei ti die maximale Geschwindigkeit des Rotors hinreichend ist, um das Widerstandsmoment zu überwinden, woraus sich ergibt, daß die Motorimpuls Im unterbrochen werden kann ohne daß die richtige Arbeitsweise des Motors nachteilig beeinflußt würde. In der Praxis wird die Detektion des Momentes, in welchem der Motorimpuls unterbrochen werden kann, mit einer Ableitungsschaltung durchgeführt, welche eine zur Steilheit des Stromes Im proportionate Ausgangsspannung liefert. Dieses Signal erreicht bei f3, eine kurze Zeit nach /2, einen für die Verwendung geeigneten Wert. Folglich wird der Motorimpuls im Zeitpunkt i3 unterbrochen; er ist also gegenüber einem bis f4 vorhandenen Impuls verkürzt. Es ist klar, daß ein verkürzter Impuls ermöglicht, die Energie einzusparer., die normalerweise dem Motor während des Abschnittes /3-f4 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 F i g. 2 zeigt ein typisches Verhalten des Motorstromes Im in Funktion der Zeit. Im Zeitpunkt (3 unterbricht das SRI dt,. Motorimpuls und man kann die Dauer i3—to des verkürzten Impulses als Nennwert betrachten.

b) Der Motor wir mit Unterspannung gespeist (Fig. 3) Wie im vorhergehenden Fall unterbricht das SRI den Motorimpuls bei f3, d. h. sobald die Steilheit des Stromanstieges am Ausgang der Ableitungsschaltung eine verwendbare Spannung ergibt. Ein Vergleich mit Fig. 2 zeigt, daß die Dauer /3-/o des Motorimpulses

ίο bei Unterspannung langer ist als im Falle, in welchem der Motor mit Nennspannung gespeist wurde.

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

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

Aus dem Obigen ist ersichtlich, iaß, wenn die Speisespannung absinkt und der Motor 'ich seiner Betriebsgrenze nähert, das SRI automatisch die Dauer der Motorimpulse verlangen.

Als Folge davon ermöglicht eine geeignete Schaltung, weiche anspricht, wenn die Motorimpulse systematisch lang sind, d. h. wenn sich der Motor seiner Betriebsgrenze nähen, zu detektieren, daß die Batterien am Ende ihrer Lebensdauer angelangt sind, und ein Signal abzugeben, daß sie gewechselt werden müssen.

Die Fig. 5 zeigt ein Schaltbild einer möglichen De-

jo tektionseinrichtung gemäß der Erfindung. Die Schaltung weist einen Quarzoszillator 6 auf, der eine Teilerkette 7 speist, welche an einem ersten Ausgang a ein 128 Hz-Signal für den Takteingang Cl eines D-Flip-Flops FFl abgibt, ferner an einem zweiten Aus-

)5 gang b ein 32 Hz-Signal an den Eingang eines Inverters 4, an die Anode einer Sperrdiode dl undnn einen ersten Eingang eines UND-Tores 1, und endlich an einem Ausgang c ein 1 Hz-Signal an den Eingang IN ei· sr Logik- und Impulsgeneratorschaltung Gl. Der

■«ο Schrittmotor M wird durch die Ausgänge SMl und SMl der Schaltung Gl gespeist. Ein Ausgang Sp von Gl ist mit dem Eingang Dl von FFl verbunden, dessen Rückstelleingang auf dem Pegel »1« ist, ferner mit dem zweiten Eingang von Tor 1 und mit dem

4> Takteingang CIl eines ersten durch 10 teilenden Zählers Zl. Der Ausgang des Tores 1 ist mit dem Takteingang eines zweiten, durch 10 teilenden Zählers Zl verbunden. Ein Ausgang 5/ der Schaltung Gl ist mit dem Eingang einer Ableitungsschaltung ClRl verbunden,deren Ausgang mit dem Eingangeines Inverters Tl, Tl verbunden ist. Der Ausgang des Inverters ist mit dem Takteingang Cl eines D-FIip-Flops FF2 verbunden, dessen Eingang Dl auf dem logischen Pegel »1« ist. Der Ausgang des Inverters 4 ist mit dem

ν, Eingang einer Ableitungsschaltung C2Ä2_verbunden, deren Ausgang mit dem Rückstelleingang/? 2 von FFZ verbunden ist. Dl/ Ausgang Ql vonFF2ist mit einem ersten Eingang eines UND-Tores 2 verbunden. Der zweite Eingang des Tores 2 ist mit dem Ausgang Ql von FFl verbunden. Der Ausgang des Tores 2 ist mit der Anode einer Sperrdiode dl verbunden, deren Kathode mit einem an Masse angeschlossenen Widerstand /73' und mii dem Eingang einer Ableitungsschaltung C3/73 verbunden ist, deren Ausgang mit einem Eingang Ico der Schaltung Gl und mit dem Ausgang einer Ableitungsschaltung C6R6 verbunden ist, deren Eingang mit einem Widerstand R6' und mit der Kathode der Diode dl verbunden ist. Der Aus-

gang des Zählers Zl ist mit dem ersten Eingang eines UND-Tores 3 und mit dem Eingang einer Integrationsschaltung /?4C4 verbunden, deren Ausgang über einen Inverter 5 mit den Rückstelleingängen Rl und Rlder Zähler Zl und Z2 verbunden ist. Der Ausgang des Zählers Z2 ist mit dem zweiten Eingang des Tores 3 und mit dem Eingang einer Integrationsschaltung RSCS 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, wahrend der Ausgang Q3 dieses Flip-Flops mit einem Eingang A einer nicht gezeigten Uhrlogik verbunden ist.

Die Schaltung nach Fig. 5 setzt sich im Prinzip aus zwei Teilen zusammen: Das System für die Verkürzung der Impulse (SRI) und das System für die Detek-

des Systems SRI soll nachfolgend zuerst beschrieben werden.

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

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

- der Wert der Ableitung, auf welchen SRI reagieren soll, wird durch die Werte von Cl und Rl bestimmt;

- die minimale Dauer des Motorimpulses Im ist gleich der Halbperiode des 128-Hz-Signals: tmin = V₂ ■ 128 = 3,91 ms (Fig. 6);

- die maximale Dauer des Motorimpulses IM ist gleich der Halbperiode des 32-Hz-Signals: tmax = V₂ ■ 32 = 15,6 ms (Fig. 7).

Es soll nun der Fall betrachtet werden, in welchem die Dauer (r3— to) zwischen tmin und tmax liegt. 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 Motorklemmen angelegt und nach einer Zeit tmin = 3,91 ms liefert der 128-Hz-Ausgang α einen Taktimpuls an FFl, dessen Ausgang Ql auf den logischen Pegel »1« geht, was Tor 2 öffnet. Wenn die Ableitschaltung ClRl zum Zeitpunkt /3 ein Signal an den Inverter 7*1, Tl liefert, bewirkt das Ausgangssignal des letzteren das Kippen von FFl, dessen Ausgang Ql auf den logischen Pegel »1« geht, so daß ein logischer Pegel »1« am Ausgang von Tor 2 erscheint. Im Augenblick des Überganges des Ausgangssignals von Tor von »0« auf »1«, liefert die Ableitungsschaltung C3/?3 einen positiven Impuls an den Eingang Ico der Schaltung Gl, was den Motorimpuls unterbricht. Die Dauer desselben ist daher t3—to, also zwischen tmin und tmax. FFl wird im Zeitpunkt f4 bei der Ankunft der vorderen Flanke des nächsten 32-Hz-Impulses auf b zurückgestellt, und zwar über den Inverter 4 und die Ableitschaltung ClRl, eine Halbperiode von 32 Hz nach dem Beginn des Motorimpulses bei to. FFl wird durch den 128-Hz-Impuls an a, der auf den Zeiptunkt f3 folgt, zurückgestellt.

Es soll nun der Fall betrachtet werden, in welchem die Dauer (r3—to) kürzer ist ais tmin. Die Fig. 10 zeigt den Motorstrom Im und die Fig. 11 Signale an verschiedenen Punkten des Schaltbildes von Fig. 5. Der Motorimpuls wird zum Zeitpunkt to an den Motor angelegt. Solange der durch das 128-Hz-Signal auf α gesteuerte Flip-Flop FFl noch nicht gekippt hat. bleibt Tor 2 geschlossen. Folglich steuert, falls der Motor rasch dreht, die Ableitschaltung ClR 1 FFl an, der einen logischen Pegel »1« an den Eingang von Tor 2 legt, das aber durch FFl noch verriegelt ist. Einen Zeitabschnitt tmin nach to bringt das 128-Hz-Signal an a FFl zum Kippen und der Ausgang von Tor 2 geht vom Pegel »0« auf Pegel »1«. Dieser übergang erzeugt über die Ableitschaltung C3R3 einen positiven Impuls für den Eingang Ico von Gl, welche den Motorimpuls unterbricht. Seine Dauer ist daher gleich tmin. Die Flip-Flops FFl und FF3 werden gleich wie im vorausgegangenen Fall zurückgestellt.

Schließlich soll noch der Fall betrachtet werden, in welchem die Dauer (t3-to) größer als tmax ist. Die

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gnale an verschiedenen Punkten des Schaltbildes nach Fig. 5. Wie vorher wird der Motorimpuls bei to an den Motor angelegt. Wenn der Motor sich nicht gedreht hat. hat die Schaltung ClRlIFFl nicht angesprochen und der Ausgang Ql ist auf Pegel »O«. Der Motorimpuls bleibt also an den Motor angelegt bis zum Zeitpunkt (3, in welchem die vordere Flanke des 32-Hz-Signals an b über die Ableitschaltung C6R6 einen pc-.,itiven Impuls an den Eingang Ico von Gl anlegt, was den Motor unterbricht, dessen Dauer (/3-fo) gleich tmax war.

Die obige Beschreibung der Arbeitsweise des Systems SRI zeigt, daß die Dauer dor Motoi impulse immer zwischen tmin und tmax liegt. Es war ersichtlich, daß der Impuls die Dauer von tmax erreichen kann, wenn die Batteriespannung 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 ist 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 Gl wird als Taktimpuls für den auf 10 zählenden Zähler Zl verwendet. Daraus folgt, daß der Zähler Zl bei jedem Motorimpuls betätigt wird. Wenn er den zehnten Impuls erhält, geht sein Ausgang 5101 vom logischen Pegel »0« auf den Pegel »1«.

Dieses Signal wird durch die Schaltung RSCS integriert, deren Ausgangssignal über den Inverter 5 die Rückstellung der Zähler Zl und Z2 bewirkt. Die Fig. 14 zeigt, daß die Eingänge (Signal 5p und 32-Hz-Signal auf b) von Tor 1 niemals gleichzeitig auf Pegel »1« sind. Das Tori bleibt daher geschlossen, so daß der Zähler Z2 nicht zählt. Sein Ausgang 5102 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) größer ist als tmax, ist die Arbeitsweise des Detektionssystems die folgende. Wie vorher wird der Zähler Zl bei jedem Motorimpuis 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 5101 und 5102 der Zähler Zl und Z2 beim zehnten Eingangsimpuls

gleichzeitig auf Pegel »I« gehen, geht der Ausgang von Tor 3 von »I*« auf » I«, was FFi kippen macht, so daß sein Ausgang Qi von »0« auf »I« geht. Dies wird von der Uhrlogik als Befehl für das Einschalten einer Anzeige für das Ende der Lebensdauer der Batterien betrachtet.

Das Hinzufügen eines Detektionssystems für die Impulslänge zu einem Systems SRI ermöglicht also die Realisierung einer Finrichtune zur Detektion des

lindes der Lehensdauer der Batterien, welche besonders wirksam ist, da sie den tatsächlichen Entladungszustand der Batterie berücksichtigt und dessen Einfluß auf die Motorimpulse des Schrittmotors. Die Einrichtling ist verhältnismäßig einfach und bietet sich an für eine Integration in den Herstellungsprozeß der integrierten Schaltung des Zeitmeßgerätes.

Die den Gegenstand von Fig. 5 bildende Schaltung ist eine mögliche Ausfiihrungsform der Erfindung.

5 Blatt Zeichnuneen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronisches Zeitmeßgerät mit einer Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien, das einen Oszillator aufweist, ferner eine Frequenzteilerkette, ein System zum Verkürzen der Motorimpulse, eine Uhrlogik, eine Steuerlogik und einen Schrittmotor, dadurch gekennzeichnet, daß es ein dem System zur Verkürzung der Motorimpulse zugeordnetes System zur Detektion der Länge dieser Motorimpulse aufweist, und daß bei Überschreiten einer bestimmten Impulslänge das Ausgangssignal des genannten Detektionssystems mit Hilfe der genannten Uhrlogik eine Signalisierung des Endes der Lebensdauer der Batterien bewirkt.

2. Zeüjießgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Detektionssystem einerseits zwei Zähler (Zl, Z2) aufweist, wobei der erste Zähler (Zl) von der genannten Steuerlogik (Gl) Impulse der gleichen Frequenz wie jene der an den Schrittmotor abgegebenen Impulse erhält, während der zweite durch eine Logik (1) 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, tier einem bestimmten Entladungszustand der Batterien entspricht, und andererseits jo eine logische Schallung (3, FF3), welche im Falle der Übereinstimmung der logischen Zustände der Ausgänge der Zähler (Zl, Zl) ein Signal abgibt, das das Ende der Lebensdauer der Batterien für die genannte Uhrlogik angibt.

3. Zeitmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Logik (1) ein UND-Tor ist, das die Verknüpfung der durch den Ausgang (5p) der Steuerlogik (Gl) gelieferten Impulse der Motorfrequenz mit einem von einem Ausgang (b) der Frequenzteilerkette (7) gelieferten Signal durchführt, wobei der Ausgang der genannten Logik (1) mit dem Takteingang (CIl) des zweiten Zählers (Z2) verbunden ist.

4. Zeitmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte logische Schaltung ein UND-Tor (3) aufweist, das die Verknüpfung der logischen Pegel der Ausgänge (5101, 5102) der Zähler (Zl, Z2) durchführt, wobei der logische Ausgangspegel des genannten Tores (3) in ■> <> einem Flip-Flop (FF3) gespeichert wird, dessen Ausgang (Q3) mit einer Klemme (A) der Uhrlogik verbunden ist.

5. Zeitmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Ausgangspegel r> des Tores (3) in dem Augenblick gespeichert wird, in welchem am Ausgang (5102) des zweiten Zählers (Zl) ein logisches Signal erscheint, das das öffnen des genannten Tores (3) bewirken kann.

6. Zeitmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge- μ kennzeichnet, daß die Zähler (Zl, Z2) durch die Integration des Signals am Ausgang (5101) des ersten Zählers (Zl) in einer Integrationsschaltung (/?4C4) zurückgestellt werden, wobei die Integrationsschaltung von einem Inverter (5) gefolgt ist. μ 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 Vergleich 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 Nachteile. Wenn die definierte Spannungsschwelle für die Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien nicht nahe der Betriebs^renze des Schrittmotors ist, besteht die Gefahr, daß die Uhr dem Benutzer anzeigt, daß die Batterien am Ende ihrer Lebensdauer seien, obwohl sie ihren Dienst noch für einige Monate versehen könnten. Weiter ist es notwendig, in der Schaltung die erwähnte, definierte Spannungsschwelle 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 diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 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 erwähnten Schriften beschrieben.

In der Auslegeschrift CH 137°3/72 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 Signals, wobei dieses Signal der maximalen Rotordrehgeschwindigkeit entspricht. Die Auslegeschrift CH 17738/73 betrifft einen in der Uhrentechnik verwendbaren Spitzenwertdetektor und ermöglicht durch Messung des Stromes in der Antriebsspule eine Bestimmung des Zeitpunktes, in welchem die Rotorgeschwindigkeit maximal ist. Endlich beschreibt das Patent CH 576164 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 obenerwähnten 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 erfindungsgemäße Einrichtung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Diagramm des Motorstromes und des Motorimpulses,

Fig. 2 ein Stromdiagramm eines mit Nennspannung gespeisten Motors,

Fig. 3 ein Stromdiagramm eines mit Unterspannung gespeisten Motors,

Fig. 4 ein Stromdiagramm eines mit Überspannung