DE2855083C3 - Elektronisches Zeitmeßgerät mit einer Einrichtung zur Detektion des Endes der Lebensdauer der Batterien - Google Patents

Description

gespeisten Motors,

Fig. 5 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Detektionseinriehtung,

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 imin und tmax liegt,

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

Fig. 10 dei, Strom Im, wenn die Geschwindigkeit des Motors so ist, daß die Dauer ί3-ίο kürzer ist als /HJHl,

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 /3-io langer ist als tmax,

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

Fig. 14 ein Impulsdiagramm, das dem Fall entspricht, in welchem die Geschwindigkeit des Motors derart ist, daß (/3-/mj kleiner ist als iinax, und

Fig. 15 ein Impulsdiagramm für den Fail, daß die Geschwindigkeit des Motors derart ist. daß (ti-to) größer ist als tmax.

Hie 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 wachst in Funktion der Zeitkonstante der Schaltung, dann, zwischen f 1 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 konstant 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 /2 die maximale Geschwindigkeit des Rotors hinreichend ist, um das Widerstandsmoment zu überwinden, woraus sich ergibt, daß die Motorimpuls //;; unterbrochen werden kann ohne daß die richtige Arbeitsweise des Motors nachteilig beeinflußt würde. Inder Praxis wird die Detektion des Momentes, in welchem der Motorimpuls unterbrochen werden kann, mit einer Ableitungsschaltung durchgeführt, welche eine zur Steilheit des Stromes Im proportionale Ausgangsspannung liefert. Dieses Signal erreicht nei f3, eine kurze Zeit nach ti, einen für die Verwendung geeigneten Wert. Folglich wird uer Motorimpuls im Zeitpunkt /3 unterbrochen; er ist also gegenüber einem bis /4 vorhandenen Impuls verkürzt. F.s ist klar, daß ein verkürzter Impuls ermöglicht, die Energie einzusparen, die normalerweise dem Motor während des Abschnittes /3-/4 geliefert wird.

Nachfolgend wird das System zur Verkürzung der Impulse zur Vereinfachung mit SRI bezeichnet. Es Süll 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 zeigi ein typisches Verhalten des Motor^ stromes Im in Funktion der Zeit. Im Zeitpunkt /3 unterbricht das SRI dem Motorimpuls und man kann die Dauer ti-ιυ des verkürzten Impulses als Nennwert betrachten.

b) Der Motor wir mit Unterspannung gespeist (Fjg. i) Wie im vorhergehenden Fall unterbricht das SRI den Motorimpuls bei r3, 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

ι» bei Unterspannung länger 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 /3-/O, weiche kürzer ist als bei einem mit Nennspannung gespeisten Motor.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß, wenn die Speisespannung absinkt und der Motor sicn seiner Be-

2» triebsgren'c nähert, das SRI automatisch die Dauer der Motoi impulse verlängert.

Als Folge davon ermöglicht eint geeignete Schaltung, welche anspricht, wenn die Motorimpulse systematisch lang sind. d. h. wenn sich der Motor seiner

.'5 Betriebsgren/e nähert, zu detektieren, daß die Batterien arr Ende ihrer Lebensdauer angelangt sind, und ein Signal abzugeben, daß sie gewechselt werden müssen.

Die Fig. 5 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Dein 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 (7 eines D-Flip-Flops FFl abgibt, ferner an einem zweiten Aus-

n gang b ein 32 Hz-Signal an den Eingang eines Inverters 4, an die Anode einer Sperrdiode dl 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 Impulsgeneratorschaltnng Gl. Der Schrittmotor M wird durch die Ausgänge SMl und SM2 der Schaltung Gl gespeist. Ein Ausgang Sp von G ". ist mit dem Eingang Dl von FFl verbunden, dessen RüclxStelleingang auf dem Pegel »1« ist, ferner mit dem zweiten Eingang von Tor 1 und mit dem Takteingang CV1 eines ersten durch H) teilenden Zählers Zl. Der Ausgang des Tores 1 isi mit dein Takteingang eines zweiten, durch 10 teilenden Zählers Z2 verbunden. Ein Ausgang S/ der Schaltung Gl ist mit dem Eingang einer Ableitungsschaltung ClRl ver-

)0 bunden, deren Ausgang mit dem Eingang eines Inverters Tl, Tl verbunden ist. Der Ausgang des Inverters ist mit dem Takteingang CV eines D-Flip-Flops FF2 verbunden, dessen Eingang D2 auf dem logischen Pegel »'. c ist. Der Ausgang des Inverters 4 ist mit dem Eingang einer Ableitungsschaltung ClRl verbunden, deren Ausgang m-t dem Rückstelleingang Rl von FF2 verbunden ist. Der Ausgang Ql von FF2 ist mit einem ersten Eingang eines UND-Tores 2 verbunden. Der zweite Eingang des Tores 2 ist mit dem Ausgang Ql

b(i von FFl verbunden. Der Ausgang des Tores 2 ist mit der Anode einer Sperrdiode dl verbunden, deren Kathode mit einem an Masse angeschlossenen Widerstand R2>' und mit dem Eingang einer Ableitungsschaltung C3R3 verbunden ist, deren Ausgang mit einem Eingang tco 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-Türes 3 und mit dem Eingang einer Integrationsschaltung R4C 4 verbunden, deren Ausgang über einen Inverters mit den Rückstelleingängen Rl und Rl der 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 Cl eines D-Flip-Flops FF3 verbunden ist. Der Ausgang des Tores 3 ist mit dem Eingang D3 von FF3, während der Ausgang (23 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 Detektion der Länge der Motorimpulse. Die Arbeitsweise 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-SignaIs: //«//ι = V₂ · 128 = 3,91 ms (Fig. 6);

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

Essoll nun der Fall betrachtet werden, in welchem die Dauer (/3—to) zwischen /j?1!ji und imax 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

//Jini = 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 71, 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 /3-/o, also zwischen tmin und tmax. FFl wird im Zeitpunkt /4 bei der Ankunft der vorderen Flanke des nächsten 32-Hz-ImpuIses 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-ImpuIs an a, der auf den Zeiptunkt /3 folgt, zurückgestellt. Es soll nun der Fall betrachtet werden, in welchem die Dauer (/3— to) kürzer ist als tinin. 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 ClRl FFl an, der einen logischen Pegel »1« an den Eingang von Tor 2 legt, das aber durch FFl hoch verriegelt ist. Einen Zeitabschnitt tinin 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

ίο 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 (/3-/o) größer als tmax ist. Die Fig. 12 zeigt den Motorstrom Im und die Fig. 13 Signale an verschiedenen Punkten des Schaltbildes nach Fig. 5. wie vorher wird der Motorimpuis bei to an

»o 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 positiven impuls an den Eingang Ico von Gl anlegt, was den Motor unterbricht, dessen Dauer (l3-to) _&-ieich tmax war.

Die obige Beschreibung der Arbeitsweise des Systems SRI zeigt, 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 Batteriespannung gering ist. Diese Dauer kann daher verwendet werden als Kriterium für das

j5 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 zu-

■m nächst das Verhalten der Schaltung betrachtet werden, wenn die Dauer (t3-to) des Motorimpulses 7wicrhpn tmin nnri tm/jv lipot Fiο \ά. vp'iai da«: pnt- - * ο ο ο

sprechende Impulsdiagramm. Das Signal am Ausgang Sp der Schaltung Gl wird als Taktimpuls für den auf

4-5 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 R5CS integriert, deren Ausgangssignal über den Inverter 5 die Rückstellung der Zähler Zl 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 Sl 02 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 {ti—to) größer ist als tmax, ist die Arbeitsweise des Detektionssystems die folgende. Wie vorher wird der Zähler Zl bei jedem Motorimpuls betätigt. Die Fig. 15 zeigt, daß die beiden Ein-

b5 gänge von Tor 1 während eines kurzen Zeitabschnittes gleichzeitig auf Pegel »1« sind, was den Zähler Z2 zählen läßt. Wenn die Ausgänge SlOl und 5102 der Zähler Zl und Z2 beim zehnten Eingangsimpuls

gleichzeitig auf Pegel »1« gehen, geht der Ausgang von Tor 3 von »0« auf »1«, was FFi kippen macht, so daß sein Ausgang Q 3 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 Detektionssystems für die Impulslänge zu einem Systems SRI ermöglicht also die Realisierung einer Einrichtung zur Detektion des

Endes der Lebensdauer der Batterien, welche besonders wirksam ist, da sie den tatsächlichen Entladungs-ZUSfand der Batterie berücksichtigt und dessen Einfluß auf die Motorimpulse des Schrittmotors. Die Einrichtung 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 Ausführungsform der Erfindung.

jjierzu 5 Blatt Zeit hriuhgen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronisches Zeitmeßgerat 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. Zeitmeßgerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Detektianssystem einerseits zwei Zähler (Zl, Z2) aufweist, wobei der erste Zahler (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 MotorimpuLe bestimmte Dauer dieser Motorimpulse einen maximalen Grenzwert erreicht, der einem bestimmten Entladungszustand der Batterien entspricht, und andererseits eine logische Schaltung (3, FF3), welche im Falle der Übereinstimmung der logischen Zustände der Ausgänge der Zähler (Zl, 72) ein Signal abgibt, das das Ende der Lebensdauer der Batterien für die genannte Uhrlogik angib

3. Zeitmeßgerat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Logik (1) ein UND-Tor ist, das die Verknüpfung der durch den Ausgang (Sp) 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 (CH) de , zweiten Zählers (Z2) verbunden ist.

4. Zeitmeßgerat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte logische Schaltung ein UND-Tor (3) aufweist, das die Verknüpfung der logischen Pegel der Ausgange (.VlOl. .V102) der Zähler (Zl. Z2) durchführt, wobei der logische Ausgangspegel des genannten Tores (3) in einem Hip-Flop (FF2>) gespeichert wird, dessen Ausgang (Q3) nut einer Klemme (A ) der Uhrlogik verbunden ist.

5. Zeitmeßgerat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dall der genannte Ausgangspegel desTores (3) in dem Augenblick gespeichert wird, in welchem am Ausgang (.V102) des zweiten Zählers (Z2) ein logisches Signal erscheint, das das Öffnen des genannten Tores (3) bewirken kann.

ft Zeitmeßgerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähler (Zl, Zl) durch die Integration des Signals am Ausgang (5101) des ersten Zählers (Zi) in einer Integrätidrisschaltürig (/f4C4) zurückgestellt werden, wobei die Integrationsschaltung von einem Inverter (5) gefolgt ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Zeitmeßgerat 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 Betriebsgrenze 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 Verkürzungist im Prinzip bekannt und wird z. B. in den nachfolgend erwähnten Schriften beschrieben.

In der Auslegeschrift CH 13 723/72 wird eine Einrichtung zur Detektion der Geschwindigkeit des Rotors eines Schrittmotors beschrieben, sowie Mittel zum Unterbrechen der Motorimjjulse i.i Abhängigkeit eines durch die Detektionseinrichtung erzeugten Signals, wobei dieses Signal der maximalen Rotordrehgeschwindigkeit entspricht. Die Auslegeschrift CH 17 738 73 betrifft einen in der Uhrentechnik verwendharen Spit/enwertdetektor und ermöglicht durch Messung des Stn.mes in der Antriebsspule eine Bestimmung des Zeitpunktes, in welchem die Rotorgeschwindigkeit maximal ist. Endlich beschreibt das Patent (H 576 164 e'n 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 ang.bt.

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. I ein Diagramm des Motorstromes und des Motorimpülses,

Fig. 2 ein Stromdiagramm eines mit Nennspan* nung gespeisten Motors,

Fig. 3 ein Stromdiagramm eines mit Unterspannung gespeisten Motors,

Fig. 4 ein Stromdiagramm eines mit Überspannung