DE2031671C2 - Integrierbare Schaltungsanordnung für Transistorschaltverstärker, für den Antrieb zeithaltender Geräte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierbare Schaltungsanordnung für einen Transistorschaltverstäp kef für den Antrieb zeithalteridef Geräte.

Es ist bekannt, für den Antrieb eines zeilhaitenden Gerätes, insbesondere einer Uhr, einen elektronischen Verstärker, insbesondere Transistorschaltverstärker, zu verwenden, der eingangsseitig ein Steuerelement, insbesondere eine Steuerwicklung, und ausgangsseitig Ί eine Antriebswicklung aufweist und der durch eine Relativbewegung zwischen der Steuer- und Antriebswicklung einerseits und einen vorzugsweise auf dem anzutreibenden System vorgesehenen Permanentmagneten andererseits in Selbststeuerung Antriebsimpulse

i" für ein anzutreibendes, mechanisch schwingendes oder rotierendes System liefert Als Spannungsquelle dient in der Regel eine Trockenbatterie im Stromkreis von Antriebswicklung und ETiitter-KolIektor-Strecke des Schalttransistors.

ι > Um eine derartige Schaltungsanordnung den Anforderungen eines Antriebselementes für zeithaltende Geräte anzupassen, muß diese gewisse Bedingungen erfüllen. So ist es notwendig, die Schaltungsanordnung so auszubilden, daß insbesondere die durch das

2» Absinken der Betriebsspannung der Spannungsquelle auftretenden Belastungsänderungen und Temperaturschwankungen des Systems, die Zeitfehler hervorrufen, auf ein Minimum reduziert bzw. ausgeschaltet werden. Auch soll das mechanisch schwingende oder rotierende

y- System möglichst selbstanlaufend und gegenüber in gewissen Grenzen auftretenden mechanischen Stoßen unempfindlich sein, tine weitere Forderung besteht darin, daß die Schaltungsanordnung in ihrem elektronischen Teil als sogenannter integrierter Baustein mit vier

i" Leitungsanschlüssen herstellbar sein soll.

Bei einer bekannten, die obengenannten Bedingungen zum Teil erfüllenden Schaltungsanordnung (FR-PS 15 63 425) ist zwischen dem steuerseitigen Pol einer Steuerwicklung und der Basis des Schalttransistors ein

s> Kondensator eingefügt, dessen mit der Basis des Transistors verbundener Belag über einen Ladewiderstand mit dem auch mit dem Kollektor des Transistors verbundenen Pol der Spannungiquelle verbunden ist. Parallel zu dem genannten Kondensator ist ein

■>" steuerbarer Widerstand, insbesondere in Form der Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten sogenannten Regeltransistors eingeschaltet, dessen Basis mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

Bei richtiger Dimensionierung und Polung der

'' einzelnen Schaltungselemente ergibt diese Schaltung ein .Selbstanlaufen des mechanischen Systems, ferner Antriebsimpulse, die sich dem Kraftbedarf des mechanischen Systems /ur Konstanthaltung einer gewissen Schwingungsamplitude oder einer gewissen Drehge-

•^lr schwindigkeit anpassen, wobei auch bis zu einem gewissen Grad Temperatureinflüsse und Spannungsände "ungen der Spannungsquelle kompensiert werden. Ein großer Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht aber darin, oaß der als integrierter Baustein

"·> herstellbare elektronische Teil der Schaltungsanordnung fünf Leitungsanschlüsse benötigt, was ihn für diese Herstellungsart als elektronischen Baustein ungeeignet machi.

Es ist zwar bekannt, die Basis des zweiten

^wl Regeltransistors mit dem Emitter des ersten Schalltransistors zu verbinden, wodurch der als integrierter Baustein herstellbare Teil der Schaltung nur vier Leitungsanschlüsse benötigt, dies hat aber den Nachteil, daß die den zweiten Regeltransistor steuernde, von der

t>5 Steuerspule abgenommene Regelspannung, die wälv rend der Sperrphase des ersten Schalttransistors wirksam ist, in der um 180° phäserivefschobefien Arbeitsohase des Schalttransistors in gleicher Höhe an

der Basis dieses Schalttransistors vorhanden ist, wodurch die Gefahr besteht, daß die vorgesehene Regeleinrichtung unwirksam wird und der Schaltverstärker mit einer gleichbleibenden großen Amplitude durchgesteuert wird.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, in die Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor des Regeltransistors und der Basis des Schalttransistors eine ebenfalls von cem Magnetsystem des mechanischen Systems beaufschlagte Regelwicklung vorzusehen, doch ist diese Schaltung relativ aufwendig und gestattet es nicht, den als integrierten Baustein herstellbaren Teil der Schaltungsanordnung mit nur vier Leitungsanschlüssen herzusteilen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Amplitudenstabilisierung von Antrieben zeithaltender Geräte derart weiterzuentwickeln, daß mit geringem Aufwand eine Spannungsstabilisierung und eine Ausbildung in integrierter Schaltungstechnik mit vier Ausgangsanschlüssen möglich i^r»t.

Aus der DE-AS 12 35 825 ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, welche Spannungsschwnnkungen der Batterie ausgleicht und bei welcher neb.M zwei Transistoren ein Spannungsteiler vorhanden ist, welcher die Vorspannung für den zweiten Transistor, den Regeltransistor, liefert. Diese Schaltungsanordnung ist nicht in der Lage, gleichzeitig einen Ausgleich von Schwankungen der Amplitude und der Spannung bei Uhrenantriebssystemen vorzunehmen. Die Möglichkeit einer Integrierung ist bei der genannten Druckschrift nicht angesprochen und erscheint auch dort nicht in der gewünschten Weise realisierbar.

Aus der DE-AS 1 3 00 149 ist eine weitere Schaltungsanordnung /ur Spannungsstabilisierung bekanntgeworden, bei welcher bei sonst unterschiedlicher Ausgestaltung gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik eine Ähnlichkeit insoweit besteht, als ein /weiter Transistor sowie ein /ur Basisvorspannungser/eugung für diesen Transistor dienender Spannungsteiler vorgesehen sind. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung, welche /war das Problem löst, eine integrierte Schaltung mit vier Ausgangsanschlüssen zu realisieren, besteht jedoch noch immer der Nachteil, daß mit ihr nicht gleichzeitig Amplitudenschwankungen und Spannungsschwankungen in Uhrenantriebssystemen ausgeglichen werden können.

Aus dem Buch von S. W. Wagner »Stromversorgung elektronischer Schalungen und Geräte«. Hamburg. 1964, S. 457 und 458. Bild 7.2/23. ist es ferner bei Senenregelschaltungen von Stromversorgungen bekannt. Schwankungen einer Wechselspannung an den Eingangsklemmen über einen Widerstand an einen Spannungsteileranschluß am Ausgang der Schaltungsanordnung zu geben und über diesen Spannungsteiler eine Rückwärtsregelung im Sinne eines Ausgleichs de<" Spannungsschwankungen vorzunehmen. Ein Hinweis zur Lösung der dem Anmeldungsgpgenstand gestellten Aufgabe wird nicht gegeben.

Aus der DE-AS 12 09 961, Fig. 1. ist es schließlich bekannt, bei einer Schaltungsanordnung zur Amplitudenstabilisierung einen Widerstand R zwischen Spannungsquelle und der Basis des Regeltransistors vorzusehen; dieser Widerstand dient jedoch laut Beschreibung dieser Druckschrift dazu, einen Selbstanlauf des Uhrensystems zu bewirken. Eine Spannungsstabilisierung sowie eine vorteilhafte Integrierbarkeit der Schaltung werden duwir diesen Widerstand nicht bewirkt.

Durch dm erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, wie sie in dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist. werden die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnung vermieden und die gestellte Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst. Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen erläutert

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele, die in den F i g 1 und 2 dargestellt sind.

Die F i g. 1 und 2 zeigen lediglich die nach der Erfindung vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen. Das durch diese Anordnung in eine schwingende oder rotierende Bewegung zu versetzende mechanische System ist in den Figuren nicht dargestellt Dieses System kann beispielsweise aus einem Stimmgabeloder Blattfederschwinger bestehen, bei dem wenigstens einer der schwingenden Arme mit einem Permanentmagneten versehen ist. der in eine ortsfeste Spulenanordnung eintaucht, wobei diese Spulenanordnung aus der Antriebswicklung Aw und einer üzu gleichsinnig gewickelten Steuerwickiung Sw bestehen kann. Selbstverständlich können auch die Wicklungen Aw bzw. Jw auf dem Schwinger und der Permanentmagnet ortsfest vorgesehen sein, oder es können Arbeits- und Steuerwvklung mit verschiedenen Permanentmagneten zusammenwirken.

In den Figuren stellt B eine Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Trockenbatterie dar. deren Spannung bekanntlich von einem anfanglichen Wen von 1.7 Volt mit zunehmender Entladung bis auf etwa 1.1 Volt bei völliger Entladung absinkt.

Die nicht als Teile eines integrierten Bausteins herstellbaren Schaltungselemente der Anordnung sind der Ladekondensator G, die Steuer- und Arbeitswicklung 5h·. A w und der Kondensator G. Der Kondensator G dient /ur Unterdrückung einer sich selbst erregenden hochfrequenten Schwingung. Er kann gegebenenfalls auch durch andere geeignete SchaltungsmaBna^.men ersetzt werden.

Die in den F ι g. 1 und 2 dargestellten Schaltungen weit.η sogenannte n-p-n-Transistoren 7Ί und Γ;auf.die jedoch bei umgekehrter Polarität der Spannungsquelle auch durch p-n-p-Transistoren ersetzt werden können.

Den Arbeitsstromkreis des Schaltverstärkers bilden die Batterie B. die dazu in Reihe liegende Antriebswicklung Aw mit der Kollektor-Emitter Strecke des Transistors 7Ί Den Steuerkreis des Schaltverstärkers bilden in Reihe liegend die Steuerwicklung Sw. ein Kondensator G und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T. Der mit der Basis des Transistors T-verbundene Belag des Kondensators G ist ferner über einen ohmschen Widerstand R\ mit dem kollektorseitigen Pn¹ c'der Spannungsquelle B verbunden.

/ur Erzielung einer Regelwirkung bei dem im vorausgehenden beschriebenen Schaltverstärker dient ein zweiter Transistor Tj, dessen Kollektor mit dem Punkt a und dessen Emitter mit dem Punkt b der Schaltung verbunden ist. Zwischen den Punkten dund e der Schaltung liegt ein Spannungsteiler /?2, Äj, dessen Mittelabgriff czu der Basis der Regeltransistors Γ? führt.

Die Schaltung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der nach F i g. 1 nur dadurch, daß bei der Schaltung nach Fig.2 zwischen dem Punkt c/und der entsprechenden Zuleitung zu dem Widerstand R2 des Spannungsteilers noch eine in Durcrilaßriduung gepolte Diode D geschaltet ist.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist im Prinzip bekannt. Wird durch den Schalter 5 der

Arbeitsstrom des Transistors Γι geschlossen, so lädt sich über den Widerstand R\ der Kondensator G auf. Die Basis des Transistors 7! erhält dadurch gegenüber dem Emitter ein so positives Potential, daß der Transistor 7Ί durchgeschaltet wird und in der Arbeitswicklung A wein > Ruhestrom fließt. Schon sehr kleine Bewegungen des Magnetsystems erzeugen in der Steuerwickluhg Sw Steuerimpulse, die über den Kondensator G auf die Basis des Transistor·; Ti einwirken und sich der an der Basis des Transistors T\ herrschenden positiven deichspannung überlagern. Im Rhythmus dieser Steuerwechselspannung wird daher in der Arbeitswicklung des Transistors Γι eine Stromschwankung erzeugt, durch welche phasenrichtig Antriebsimpulse auf das schwingende oder rotierende System gegeben werden. Diese rufen verstärkt Steuerimpulse in der Steuerwicklung Sw hervor usf. Die Schaltung bewirkt somit ein Selbstanlaufen des mechanischen Systems.

Mit zunehmender Amplitude der in der Sleuerwicklung Sw erzeugten Wechselspannung tritt eine Regelwirkung auf. Während der Sperrphase des Transistors T\ wird an der Basis des Transistors Ti eine Steuerspannung wirksam, deren Wechselstromkomponente in der Steuerwicklung Sw erzeugt wird. Durch diese Steuerspannung wird der Transistor Ti leitend und im entsprechenden Maß der Kondensator G entladen. Dies hat in der darauffolgenden Arbeitsphase des Transistors Ti eine verringerte Steuerspannung an dessen Basis zur Folge. Bei geeigneter Bemessung der einzelnen Schaltungselemente, insbesondere des Kondensators G, des Widerstandes Ru der Widerstände R2. Ri und der Steuerwicklung Sw. tritt somit bei einer bestimmten Größe der in der Steuerwicklung Sw erzeugten EMK ein Gleichgewichtszustand ein, der dadurch charakterisiert ist. daß in aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen des Transistors Γι der Basis dieses Transistors eine gleichbleibende aus einem durch R\ hervorgerufenen Gleichstromanteil und einem durch Sw hervorgerufenen Wechselctromanteil zusammengesetzte Steuerspannung zugeführt wird, was bedeutet, -to daß die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen durch R; hervorgerufene zusätzliche Aufladung des Kondensators G gerade durch den mehr oder weniger leitend gemachten Transistors Ti wieder rückgängig gemacht wird.

Überschreitet die in der Steuerwicklung Sw erzeugte EMK einen gewissen Wert, so tritt durch Γ2 eine umgekehrte Regelwirkung ein. Die erhöhte Durchsteuerung von Tj bewirkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen des Transistors Ti eine stärkere so Entladung des Kondensators G, als Strom durch R₁ nachgeliefert werden kann. Der Transistor Tj erhält somit eine verminderte Steuerspannung, so daß sich nach wenigen Antriebsperioden wieder der bisherige Gleichgewichtszustand einstellt

Neuartig ist bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung, daß zwischen den Punkt d und e der Schaltung ein Spannungsteiler R2, R% vorgesehen ist, dessen Mittelanzapfung emit der Basis des Regeltransistors Ti verbunden ist. Der Punkt e liegt über der Arbeitswicklung Aw des Schaltverstärkers am Minuspol, und der Punkt d liegt unmittelbar am Pluspol der Spar.nungsquelle B. Dies bedeutet, daß während der Regelphase der Schaltungsanordnung an der Basis des Transistors T> eine Steuerspannung wirksam ist, die aus einem an Ri auftretenden Spannungsabfall und der durch Sw erzeugten EMK zusammensetzt Der Steuerwechselspannung am Regeltransistor Ti ist somit in ähnlicher Weise wie bei dem Schalttransistor T\ eine positive Regelgleichspannung überlagert.

Die Vorteile dieser Schaltungsmaßnahmen ergeben sieh aus folgendem:

Beabsichtigt man, den Schalttransistor T\ und den Regeltransistor Ti zusammen mit dem Widerstand R\ und zweckmäßig auch zusammen mit den Widerständen Ri und R) als integrierten elektronischen Baustein z. B. aus einem Siliziumeinkristallplättchen herzustellen, so ergibt sich der Vorteil, daß dieser integrierte Baustein mit nur vier Leitungsanschlüssen a. b, d, e hergestellt werden kann, und somit den allgemein gültigen Normen entspricht.

Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß 'Jie Steuerschwellspannung zwischen Basis- und Emitterstrecke an den im gleichen Diffusionsverfahren hergestellten Transistoren T\ und Ti gleich groß ist und bei Siliziumtransistoren etwa 0 5 Volt beträgt, und des weiteren Umstandes, daß die durch Sw erzeugte Steuerwechselspannung in beiden Halbphasen gleich groß und nur in der Polarität umgekehrt ist, ergeben sich beim Betrieb der Schaltungsanordnung die folgenden Vorteile:

Die um den Spannungsabfall an dem Widerstand Ri reduzierte in der Steuerwicklung Sw induzierte Steuerspannung ist zwar in der Lage, den Regeltransistur Ti voll durchzusteuern, so daß bei auftretenden mechanischen Stoßen auf das System und in der Steuerspule Sw erzeugten Spannungsspitzen der Kondensator G völlig entladen werden kann, diese Spannungsspitzen können aber aurh noch so klein gehalten werden, daß sie für sich allein nicht ausreichen, den Schalttransistor T\ durchzusteuern. Ein Durchgehen der Antriebsvorrichtung kann dadurch mit Sicherheit vermieden werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ergibt somit eine Erweiterung des Regelbereiches für die oberhalb der Solleistung liegenden Betriebszustände der Schaltungsanordnung. Die Anordnung zeigt darüber hinaus noch eine verbesserte Regelwirkung bezüglich Änderungen der Betriebsspannung und bezüglich auftretender Temperaturschwankungen.

Wird als Spannungsquelle eine Trockenbatterie verwendet, so nimmt deren Spannung von anfänglich 1.7 Volt mit zunehmender Entladung auf 1.1 Volt ab. Man entnimmt der Schaltung, daß sich im gleichen Maße auch die Betriebsspannung des Spannungsteilers Ri, Ri ändert. Die hiermit verbundene verminderte Durchsteuerung des Transistors T2 bewirkt somit eine Erhöhung der mittleren Spannung an der Bas^iir des Transistors T\ und damit eine größere Durchsteuerung dieses Transistors. An der Arbeitswicklung des Schalttransistors kann daher ein von der Spannung der Spannungsquelle nahezu unabhängiger Spannungsabfall erzeugt werden.

Um diese stabilisierende Wirkung der Anordnung noch zu verstärken, ist bei der in F i g. 2 dargestellten Schaltung zwischen dem Ende des Widerstandes Ri und dem Punkt d der Schaltung eine in Durchlaßrichtung gepolte Siliziumdiode D eingeschaltet Dies hat zur Folge, daß wegen der bei einer solchen Diode vorhandenen Schwellspannung von etwa 0,5 Volt der gesamte Spannungsabfall der Batterie von anfänglich 1,7 bis 1,1, Volt auf 1,2 bis 0,6 Volt reduziert wird. Gegenüber einer Abnahme von 35% beträgt die Abnahme der Speisespannung an dem Spannungsteiler Ri, Ri jetzt etwa 50%, wodurch bei geeigneter Bemessung der Widerstände R2, Ri eine größere

Änderung der an dem Transistor Ti auftretenden Regelspannung hervorgerufen wird, als dies bei der Ausführung germiß F i g, 1 der Fall ist.

Eine weitere Verbesserung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist noch dadurch möglich, daß die Sleuefschwellspahnuhg der beiden Transistoren Ti und % vftcjchieden groß gemacht wird. Dies kann beispielsweise 6ei der Herstellung dieser Schaltelemente, in

einem integrierten Baustein dadurch geschehen, daß auf dem Siliziürhplättchen für die Basis des Transistors Ti eine wesentlich kleinere Fläche als für die Basis des Transistors Ti gewählt wird. Dies hat zur Folge* daß die Steuerschwellspannung an dem Transistor T\ gegenüber der Steuerschwellspannung an dem Transistor T-i z. B. von 0,5 Volt auf etwa 0,6 Volt erhöht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Integrierbare Schaltungsanordnung für einen Transistorschaltverstärker für den Antrieb zeithaltender Geräte, bei welcher im Arbeitskreis eines Schalttransistors eine Antriebswicklung und eine Gleichspannungsquelle (Trockenbatterie) und im Steuerkreis dieses Schalttransistors eine Steuerwicklung vorgesehen sind und bei welcher die in dem Arbeitsstromkreis erzeugten Schaltimpulse zum Antrieb eines mechanisch schwingenden oder rotierenden Systems dienen und durch die Bewegung dieses Systems den Schaktransistor steuernde Steuerimpulse erzeugt werden, bei der ferner in Reihe zu der Steuerwicklung im Basis-Emitter-Kreis des Schalttransistors ein Kondensator und zwischen der Basis und dem mit dem Kollektor des Schalttransistors verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle ein Ladewiderstand vorgesehen ist und parallel zu dem genannten kondensator die Kollektor-Emitter-Strecke eines Regeltransistors geschaltet ist, an dessen Basis eine von der Steuerspannung am Schaktransistor um 180° phasenverschobene Regelspannung wirksam ist, d a durch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler vorgesehen ist. der zwischen dem Anschlußpunkt (e)des Emitters des Schalttransistors (71) mit der Steuerwicklung (Sw) einerseits und der banerieseitigen Klemme (d) des Ladewiderstandes (R\) andererseits : egt und dessen Abgriff (c) mit der Basis des Regeltransis'ors (Γ.^λ verbunden ist, mit einer Bemessung des Kondensators (Ct). der Widerstände (R\. Ri. Ri) und d-'r Steuerwicklung (Sw), derart, daß sich an der Basis dieses Transistors (Ti) die über den Spannungsteiler von der Speisespannung abgeleitete Gleichspannung und die von der Steuerwicklung in der Sperrphase des Schalttransistors (Tt) abgeleitete Wechselspannung im Sinne einer Aufsteuerung des Regeltransistori (Ti) einander überlagern.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der batterieseitigen Klemme (d) des Ladewiderstandes (R₁) und der dieser zugewandten Klemme des Spannungsteilers (Ri. Ri) ein den Spannungsabfall an dem Spannungsteiler (Ri. Ri) verringernder spannungsabhängiger Widerstand vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand aus einer in Durchlaßrichtung gepolten Diode (Tty besteht.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem den Schalttransistor (Ti) und den Regeltransistor (Ti) enthaltenden integrierten Baustein, dadurch gekennzeichnet, daß in dem integrierten Baustein die für die Basis des Transistors (Γι) vorgesehene Fläche erheblich kleiner als die für die Basis des Transistors (Ti) vorgesehene Fläche gewählt ist.