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DE2036330A1 - Verfahren zur automatischen Amplituden regelung von elektromechanischen Schwingern - Google Patents

Verfahren zur automatischen Amplituden regelung von elektromechanischen Schwingern

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DE2036330A1
DE2036330A1 DE19702036330 DE2036330A DE2036330A1 DE 2036330 A1 DE2036330 A1 DE 2036330A1 DE 19702036330 DE19702036330 DE 19702036330 DE 2036330 A DE2036330 A DE 2036330A DE 2036330 A1 DE2036330 A1 DE 2036330A1
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transistor
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collector
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Hans Dipl Ing 7800 Freiburg P Keller
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TDK Micronas GmbH
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Deutsche ITT Industries GmbH
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Description

Deutsche ITT Industries GmbH. H. Keller 37
78 Freiburg i.B.,Hans-Bunte-Str.19 Pat.Mo/Th.
20. Juli 1970
DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG
FREIBURG I.B..
Verfahren zur automatischen Amplitudenregelung von elektro- * mechanischen Schwingern
Zum Unterhalten der Schwingung von elektromechanischen Schwingern, wie sie beispielsweise in Uhren als Unruhen,
Stimmgabeln, Pendel etc. verwendet werden, können bekanntlich elektronische Transistorschaltungen dienen. Diese Schaltungen lassen sich in zwei Klassen einteilen, nämlich in solche, die mit zwei Spulen - einer Steuer- und einer Antriebsspule - die mechanische Schwingung aufrechterhalten, % und solche, die nur eine einzige (Antriebs-) Spule benötigen)»
Bei beiden Antriebsprinzipien spielt die Konstanthaltung der Λ Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers eine erheb-' liehe Rolle, da dessen Schwingungsamplitude die Ganggenauigkeit der Uhr wesentlich beeinflußt. Andererseits ist jedoch die Schwingungsamplitude von einer ganzen Reihe äußerer Einflüsse abhängig, wie z.B. der Umgebungstemperatur, der räumlichen Lage der Uhr (insbesondere bei Armbanduhrert'tyon Be deutung) , der Batteriespannung etc. .,' v
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Die Konstanthaltung der Schwingungeamplitude ist bei Zweispulenschaltungen bereits üblich und stellt keine besonderen schaltungstechnischen Schwierigkeiten dar.
Bei Einspulenschaltungen jedoch bereitet die Konstanthaltung der Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers auf elektronischem Wege einige Schwierigkeiten.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur automatischen Regelung der Schwingungsamplitude von mechanischen Schwingern (Unruh, Stimmgabel, Pendel etc.) beim Antrieb über nur eine einzige Spule, die von einer elektronischen Schaltung mit einem Arbeitstransistor und einem dazu komplementären Steuertransistor erregt wird und in den Kollektorzweig des Arbeitstransistors geschaltet ist, wobei die Basis des Arbeitstransistors vom Kollektorstrom des Steuertransistors gespeist wird und die Basis des Steuertransistors über elektronische Schaltungmittel mit dem Kollektor des Arbeitstransistors verbunden ist.
Eine solche Schaltung ist in Fig. 1 der beigefügten Zeichnung dargestellt. Die Spule L liegt einerseits an der Batteriespannung-U_ und mit ihrem anderen Ende am Kollektor des Ar-
beitstransistors Tl, dessen Basis vom Kollektorstrom des komplementären Transistors T2 gesteuert wird. Der Emitter des Steuertransistors T2 ist, ggf. über einen Gegenkopplungswiderstand Rl, an der Batter ie spannungyfU angeschlossen. Die Basis des Steuertransistors T2 liegt einerseits über einen Widerstand R2 am Schaltungsnullpunkt und ist andererseits über ein Koppelnetzwerk K mit dem Kollektor des Arbeitstransistors Tl verbunden, über den Widerstand R2 fließt der zum Anschwingen der Schaltung erforderliche Basisstrom
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des Steuertransistors T2. Das Koppelnetzwerk kann aus einem Kondensator oder einem Widerstand oder einer Diode oder aus Kombinationen dieser Elemente bestehen, vgl. die deutschen Offenlegungsschriften 1 448 348 und 1 931 507, die deutsche Auslegeschrift 1 166 101, die französische Auslegeschrift 2 000 706 und "Jahrbuch der Deutschen Gesellschaft Chronometrie", Bd. 20/1 (1969), Stuttgart 1970, Seite
Diese bekannte Schaltung ist sowohl für Ein- als auch Mehrmagnetsystems geeignet, d.h. mit der Spule L können ein oder mehrere Magnetpolpaare zum Aufrechterhalten der mechanischen Schwingungen zusammenwirken, wobei entweder die Spule feststeht und sich die Magnete mit dem Schwinger bewegen oder bei feststehenden Magneten die Spule mit dem Schwinger beweglich ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wird im folgenden ein Einmagnetsystem betrachtet. Bei diesem hat im eingeschwungenen Zustand die Spannung am Kollektor des Arbeitstransistors Tl den in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf. Die durch die Relativbewegung zwischen Magnet und Spule in dieser induzierte Spannung u. mit dem Scheitelwert u. erreicht nach dem Nulldurchgang die Ansprechschwelle Ug des Steuertransistors T2, so daß beide Transistoren leitend werden.
Während der Zeit t. ist somit der Arbeitstransistor Tl durchgesteuert und es fließt ein Strom durch die Spule L. Die Größe dieses Stromes und damit die dem Schwingsystem zugeführte Energie hängt u.a. von der Batteriespannung ab. Wegen dieser Abhängigkeit verringert sich die Schwingungsamplitude mit abnehmender Batteriespannung, wodurch die Ganggenauigkeit beeinträchtigt wird. Außerdem wird die Schwingungsamplitude durch schnelle Lageänderungen, z.B. bei Armband- oder Autouhren, beeinflußt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, durch geeignete Schaltungsmaßnahmen den Einfluß der Batteriespannung und andere Umwelteinflüsse auf die Schwingungsamplitude auszuregeln. Als Maß für die Schwingungsamplitude kann dabei die in der Spule induzierte Spannung dienen. Hierbei tritt im Vergleich mit der gleichen Aufgabenstellung bei Zweispulenschaltungen die besondere Schwierigkeit auf, daß es nicht wie bei Zweispulenschaltung/moglich ist, die im Zeitpunkt des Durchschaltens des Arbeitstransistors auftretende induzierte Spannung als Maß für die Regelung zu benutzen, da bei der Einspulenschaltung an der Spule zusätzlich die durch den Kollektorstrom des Arbeitstransistors am ohmschen Widerstand der Spule abfallende Spannung auftritt.
Das oben näher gekennzeichnete Verfahren löst diese Aufgabe dadurch, daß zumindest einer der beiden Steuerelektroden (Basis oder Emitter) des Steuertransistors eine Gleichvorspannung zugeführt wird, deren Höhe durch eine mindestens zweistufige Regelschaltung derart in Abhängigkeit vom Spitzenwert der in der Spule frei induzierten Spannung bestimmt wird, daß sich mit zunehmendem Spitzenwert der frei induzierten Spannung die Ansprechschwelle der den Steuertransistor enthaltenden Schaltungsstufe vergrößert und damit die Stromflußzeit in der Spule verringert wird.
Unter dem Begriff "frei induzierte Spannung" ist in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung diejenige in der Spule induzierte Spannung zu verstehen, die bei gesperrtem Arbeitstransistor Tl dessen Kollektor-Emitterspannung über die Batteriespannung hinaus erhöht.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf Schaltungsanordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet sind, daß im Falle einer zweistufigen Regelschaltung diese aus zwei komplementären Transistoren besteht, wobei der erste vom gleichen Leitungstyp wie der Steuertransistor ist und mit seiner Basis an das batteriespannungsseitige Ende der Spule und mit seinem Emitter evtl. über einen Widerstand - an das Ende der Spule angeschlossen ist und wobei der zweite Transistor vom Leitungstyp des Arbeitstransistors ist und mit seiner Basis an den Kollektor des ersten Transistors und mit mindestens einer seiner anderen Elektroden an ein Parallel-RC-Glied angeschlossen ist, das entweder mit seinem einen Ende an Bezugspotential und mit seinem anderen Ende über einen Widerstand an der Basis des Steuertransistors liegt oder mit seinem einen Ende an Batteriespannung und mit seinem anderen Ende am Emitter des Steuertransistors liegt.
Ausführungsbeispiele solcher Schaltungsanordnungen sind in den Fig. 3 bis 5 der Zeichnung dargestellt und werden nun näher erläutert.
Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung zeigt die um den der Amplitudenregelung dienenden Schaltungsteil erweiterte Schaltung nach Fig. 1. Der Widerstand R2, der die Basis des Steuertransistors mit dem Schaltungsnullpunkt verbindet, ist in zwei Teilwiderstände aR2 und (l-a)R2 aufgeteilt, wobei der letztere Teilwiderstand durch den parallelgeschalteten Kondensator Cl überbrückt ist. Der Buchstabe a soll hierbei eine beliebige Zahl kleiner als eins definierent
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Der erste Transistor T3 des Regelschaltungsteils, der vom gleichen Leitungstyp wie der Steuertransistor T2 ist, liegt mit seiner Basis an der Batteriespannung U_, mit seinem Emitter über den Widerstand R3 am Kollektor des Arbeitstransistors Tl, - der Emitter des Transistors T3 kann auch direkt mit dem Kollektor des Ärbeitstransistors Tl verbunden sein - und mit seinem Kollektor an der Basis des zweiten Transistors T4 des Regelschaltungsteils. Der Kollektor des Transistors T4 ist mit der Batteriespannung üß verbunden, während dessen Emitter am schaltungsnullpunktabgewandten Ende des Parallel-RC-Gliedes (l-a)R2,Cl angeschlossen ist.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 dadurch, daß der Widerstand R_ nicht aufgeteilt ist, daß dem Widerstand R- ein Kondensator C2 parallelgeschaltet ist und daß ferner der Emitter des Tran- · sistors T4 am Schaltungsnullpunkt angeschlossen ist, während dessen Kollektor am batteriespannungsabgewandten Ende des Parallel-RC-Gliedes Rl,C2 angeschlossen ist.
Die in Fig. 5 gezeigte Schaltungsanordnung kombiniert die Schaltungsanordnungen nach den Fig. 3 und 4 in der Weise, daß der Emitter des Transistors T4 an dem Parallel-RC-Glied (l-a)R2,Cl angeschlossen ist und der Kollektor desselben Transistors am Parallel-RC-Glied Rl,C2 liegt.
Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnungen wird nun anhand der Fig. 3 beschrieben. Im eingeschwungenen und ausgeregelten Zustand fließt über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors TJ und damit im verstärkten Maße über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T4 ein durch die Höhe der in dar Spule frei induzierten Spannung und die Bemessung der Bauelumente"vorgegebener Xmpulü-
5/0 ') ! j.
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strom, der am Kondensator Cl eine bestimmte mittlere Spannung entstehen läßt. Diese Spannung ist für die Ansprechschwelle des Steuertransistors T2 mitbestimmend. Wird nun durch irgendeinen beliebigen äußeren Einfluß, beispielsweise durch einen Stoß oder durch Änderung der Batteriespannung, der mechanische Schwinger zu einer größeren Amplitude angeregt, so wird in der Spule auch eine größere Spannung u. induziert, deren Scheitelwert u. größer ist als der des eingeschwungenen Zustande. Somit fließt im Transistor T3 ein größerer Emitter- und Kollektorstrom,der wiederum einen verstärkten Emitterstrom des Transistors T4 veranlaßt. Dadurch lädt sich der Kondensator Cl bezogen auf den Schaltungsnull-
,en
punkt mehr zu negativen Spannung hin auf, wodurch, wiederum bezogen auf den Schaltungsnullpunkt, die Basisspannung des Steuertransistors T2 ebenfalls negativer wird, so daß sich die Ansprechschwelle dieser Stufe vergrößert, d.h. der Steuertransistor T2 schaltet erst später als im eingeschwungenen Zustand ein, wodurch die Stromflußzeit t. verkürzt und die dem elektromechanischen Schwingungssystem zugeführte Energie verringert wird.
Bei sehr starker äußerer Einwirkung im Sinne einer Erhöhung der Schwingungsamplitude kann infolge der Regelwirkung die Ansprechschwelle U0 so stark verschoben werden, daß der Steuertransistor T2 erst nach einem oder mehreren Impulsen wieder aufgesteuert wird, d.h. erst wenn durch die mechanische Dämpfung des Schwingers seine Amplitude wieder abgenommen hat.
Erfolgt dagegen die äußere Einwirkung auf das Schwingsystem in der Weise, daß dessen Amplitude verringert wird, so laufen die elektrischen Vorgänge mit umgekehrtem Vorzeichen
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ab. In prinzipiell gleicher Weise arbeitet die Schaltung nach Fig. 4, nur daß bei dieser nicht die Basisvorspannung des Steuertransistors, sondern seine Emittervorspannung in Abhängigkeit von der frei induzierten Spannung geregelt wird.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Schaltungsanordnungen lassen sich mit Vorteil in monolithisch integrierter Bauweise, d.h. als Halbleiterfestkörperschaltung realisieren. Im Falle der besonders wirksamen Schaltungsanordnung nach Fig. 5 läßt sich ein integriertes fc Bauelement schaffen, das nur fünf äußere Anschlüsse benötigt, nämlich zwei für die Batteriespannung und jeweils einen für je ein Ende der Spule L und der Kondensatoren Cl und C2. Diese Anzahl kann bei den Anordnungen nach Fig. 3 und 4 sogar auf vier Anschlüsse verringert werden, da in diesen Schaltungen nur jeweils ein Kondensator enthalten ist.
Wird die monolithische Integration der Schaltungsanordnungen mit den in den Fig. 3 bis 5 eingezeichneten Leitungstypen der einzelnen Transistoren vorgenommen, sind also die Transistoren Tl und T4 pnp-Transistoren und die Transistoren T2 und T3 npn-Transistoren, so ist es besonders zweckmäßig, den Arbeitstransistor als Substrattransistor auszubilden^ d.h. P daß dessen Kollektorzone mit der der ganzen monolithisch integrierten Schaltung gemeinsamen p-Substratzone identisch ist. Dadurch ergibt sich ein höherer Stromverstärkungsfaktor, ohne daß zusätzliche technologische Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Schließlich kann bei monolithischer Integration·der Schal» tung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T4 zweckmäßigerweise die Basis-Emitter-Strecke eines Zusatztransistors parallelgeschaltet werden, wobei zusätzlich der
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Kollektor dieses Zusatztransistors T5 mit dessen Basis verbunden ist. Hierbei macht man zweckmäßigerweise die pnübergangsflächen des Zusatztransistors T5 kleiner oder höchstens gleich den pn-übergangsflächen des Transistors T4, wodurch der Kollektorstrom des Transistors T4 von Stromverstärkungsfaktorstreuungen unabhängiger wird, so daß die Kondensatoren Cl bzw. C2 definierter aufgeladen werden.
Aufgrund der monolithischen Integrierbarkeit der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Schaltungsanordnungen und der geringen Zahl der dabei benötigten äußeren Anschlüsse sind diese besonders für Armbanduhren geeignet. Infolge der guten Regeleigenschaften sind sie aber auch mit Vorteil in solchen Uhren verwendbar, die an stark schwankender Batteriespannung betrieben werden. Zum Beispiel zeigte eine mit einer Schaltung nach Fig. 5 aufgebaute Uhr bei Batteriespannungsschwankungen zwischen 1,1 und 1,6 Volt eine Gangabweichung von weniger als 5 s/d.
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Claims (5)

  1. 203633C
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    PATENTANSPRÜCHE
    1, Verfahren zur automatischen Regelung der Schwingungsamplitude von elektromechanischen Schwingern (Unruh, Stimmgabel, Pendel etc.) beim Antrieb über eine einzige Spule, die von einer elektronischen Schaltung mit einem Arbeitstransistor und einem dazu komplementären Steuertransistor erregt wird und in den Kollektorzweig des Arbeitstransistors geschaltet ist, wobei die Basis des Arbeitstransistors vom Kollektorstrom des Steuertransistors gespeist wird und die Basis des Steuertransistors über elektronische Schaltmittel mit dem Kollektor des Arbeitstransistors verbunden ist e dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Steuerelektroden (Basis oder Emitter) des Steuertransistors eine Gleichvorspannung zugeführt wird, deren Höhe durch eine mindestens zweistufige Regelschaltung derart in Abhängigkeit vom Spitzenwert der in der Arbeitsspule frei induzierten Spannung bestimmt wird, daß sich mit zunehmendem Spitzenwert der frei induzierten Spannung die Ansprechschwelle der den Steuertransistor enthaltenden Schaitungsstufe vergrößert und damit die Stromflußzeit in der Spule verringert wird.
  2. 2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer zweistufigen Regelschaltung diese aus zwei kornplementären Transistoren (T3, T4) besteht, wobei der erste (T3) vom gleichen Leitungstyp wie der Steuertransistor (T2) ist und mit seiner Basis an das batteriespannungsseitige Ende der Spule (L) und mit seinem Emitter - evtl. über einen Widerstand (R3) - an das
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    andere Ende der Spule (L) angeschlossen ist und wobei der zweite Transistor (T4) vom Leitungstyp des Arbeitstransistors (Tl) ist und mit seiner Basis an den Kollektor des ersten Transistors (T3) und mit mindestens einer seiner anderen Elektroden an ein Parallel-RC-Glied ((l-a)R2,Cl;Rl,C2) angeschlossen ist, das entweder mit seinem einen Ende an Bezugspotential und mit seinem anderen Ende über einen Widerstand (aR2) an der Basis des Steuertransistors (T2) liegt oder mit seinem einen Ende an Batteriespannung (U_) und mit seinem anderen Ende am Emitter des Steuertransistors (T2) liegt.
  3. 3. Monolithisch, in Form einer Halbleiterfestkörperschaltung integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone des Arbeitstransistors (Tl) mit der der gesamten Halbleiterfestkörperschaltung gemeinsamen Substratzone identisch ist.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (T4) die Basis-Emitter-Strecke eines Zusatztransistors (T5) gleichen Leitungstyps parallelgeschaltet ist, dessen Kollektor mit dessen Basis ver-. bunden ist.
  5. 5. Monolithisch integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-übergangsflachen des Zusatztransistors (T5) kleiner oder höchstens gleich den pn-tlberg'angsflächen des zweiten Transistors (T4) sind.
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