DE2036330C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur automatischen Amplitudenregelung von elektromechanischen Schwingern - Google Patents

Description

steht und sich die Magnete mit dem Schwinger bewegen oder bei feststehenden Magneten d\c Spule mit dem Schwinger beweglich ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wird im folgenden ein Einma<inet-•system betrachtet. Bei diesem hat im eingeschwungenen Zustand die Spannung am Kollektor des Arbeitstransistors 71 den in F i g. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf. Die durch die Relativbewegung zwischen Magnet und_ Spule in dieser induzierte "span-

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, 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 — eventuell über einen Widerstand —-an das Ende der Spule angeschlossen ist und wobei

nungu, mit dem Scheitelwert u, erreicht nach dem io der zweite Transistor vom'Leitungstyp des Arbeits-Nulldurchgang die Ansprechschwelle l\ des Steuer- transistors ist und mit seiner Basis an den Kollektor daß beide Transistoren leitend des ersten Transistors und mit mindestens einer seiner

anderen Elektroden an ein Parallel-KC-Glied angeschlossen ist, das entweder mit seinem einen Ende an

liegt oder mit seinem einen Ende an Batteriespannung und mit seinem anderen Ende am Emitter des Steuertransistors liegt.

Ausführungsbeispiele solcher Schaltungsanordnungen sind in den F i g. 3 bis 5 der Zeichnung dargestellt und werden nun näher erläutert.

Die in F i g. 3 gezeigte Schaltungsanordnung zeigt die um den der Amplitudenregelung dienenden

transistors 72, so
werden.

Während der Zeit /, ist somit der Arbeitstran'jislor

Tl durchgesteuert, und es fließt ein Strom durch die 15 Bezugspotential und mit seinem anderen Ende über

Spule L. Die Größe dieses Stromes und damit die einen Widerstand an der Basis des Steuertransistors dem Schwingsystem zugeführte Energie hängt u. a.
von der Batteriespannung ab. Wegen "dieser Abhängigkeit verringert sich die Schwingungsamp'iiude mit
abnehmender BatteriespaniHina:, wodurch die Ganggenauigkeit beeinträchtigt wird. Außerdem wird die
Schwingungsamplitude durch schnelle Lageanderungen, z. B. bei Armband- oder Autouhren, beeinflußt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin.

durch geeignete Schaltungsmaßnahmen den Einfluß 25 Schaltungsteil erweiterte Schaltung nach Fig. 1. Der

der Batteriespannung auf die Schwingungsamplitude Widerstand R2, der die Basis des Steuertransislors

atiszuregeln und diese somit konstant zu halten. Aus mit dem Schaltungsnullpunkt verbindet, ist in zwei

der obenerwähnten französischen AusL-geschrift Teilwiderstände α«2 und (l-a)Ä2 aufgeteilt, wobei

2 000 706 ist diese Aufgabe an sich bekannt. Zur Lö- der letztere Teilwiderstand durch den parallelgeschal-

sting wird dort von dem Prinzip Gebrauch gemacht, 30 teten Kondensator Cl überbrückt ist. Der Buch-

tiiii zunehmendem Spitzenwert der in der Spule frei stäbe α soll hierbei eine beliebige Zahl kleiner als eins

induzierten Spannung die Stromfhißzeit des Antriebs- definieren.

impulses in der Spule zu verringern. Hierbei tritt im Der erste Transistor 7'3 des Regelschaltungsteils, Vergleich mit der gleichen Aufgabenstellung bei der vom gleichen Leitungstyp wie der Steuertransistor Zweispulenschaltungen jedoch die besondere Schwie- 35 T2 ist, liegt mit seiner Basis an der Batteriespannung rigkci' auf, daß es nicht wie bei Zweispulcnschaltun- -V₁₁, mit seinem Emitter über den Widerstand Λ 3 gen möglich ist, die im Zeitpunkt des Durchschallens am Kollektor des Arbeitstransistors Tl—der Emitter des Arbeitstransistors auftretende induzierte Span- des Transistors 73 kann auch direkt mit dem Kolleknung als Maß für die Regelung zu benutzen, da bei tor des Arbeitstransistors Ti verbunden sein — und der Einspulenschaltung an der Spule zusätzlich die 40 mit seinem Kollektor an der Basis des zweiten Trandurch den Kollektorstrom des Arbeitstransistors am sistors TA des Regelscha;:ungsteils. Der Kollektor ohmschen Widerstand der Spule abfallende Spannung des Transistor 74 ist mit der Batteriespannung U,· auftritt. Vielmehr kann nur derjenige Teil der frei verbunden, während sein Emitter an dem dem Schalinduzierten Spannung zur Regelung herangezogen tungsnullpunkt (-I-) abgewandten Ende des Parallelwerden, der vor oder nach dem Antriebsimpuls 45 KC-Gliedes (1 -a) R 2, Cl angeschlossen ist. in der Spule induziert wird, wie die Schaltungen Die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 nnterscheinach der erwähnten französischen Auslegeschrift und dct sich von derjenigen nach Fig. 3 dadurch, daß der obengenannten deutschen Offenlcgungsschrift Jer Widerstand R., nicht aufgeteilt ist, daß dem Wi-I ^l>31 507 zeigen. derstand R₁ ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist Die Erfindung löst die bekannte Aufgabe unter 5- und daß ferner der Emitter des Transistors T4 am

Anwendung des erwähnten Prinzips auf prinzipiell andere Weise dadurch, daß zumindest einer der beiden Steuerclektroden (Basis oder Emitter) de; Steuertransisims eine Gleichvorspannung zugeführt wird, deren Höhe durch eine mindestens zweistufige Regelschaltung derart in Abhängigkeit vom Spitzenwert der in der Spule frei induzierten Spannung bcstinv.it wird, daß sich mit zunehmendem Spitzenwert der ti ei induzierten Spannung die Ansprecnschwelle der den Slcuertransistor enthaltenden Schaltungsslufi:- veräußert und damit die StiOir.i'iußzeit in der Spule veiringert wird.

Unter dem Begriff »trei induzierter Spannung« ist in Zusammenhang rr.it der vorliegenden Erfindung

Schaltungsni'Upunkt angeschlossen ist, während dessen Kollektor am batteriespannungsabgcwandtcn Ende des Parallel-/?C-Gliedes R1, C2 angeschlossen

ist.

Die in Fig. 5 gezeigte Schaltungsanordnung kombiniert die Schaltungsanordnung^ nach den Fig. und 4 in der Weise, daß der Emitter des Transistors 74 an dem Parallel-KC-Glied (l-a) R2, Cl angeschlossen ist und der Kollektor desselben Transistors am Parallel-KC-Glicd Rl, Cl liegt.

Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Schaltungsnordnungen wir! nun an Hand der F i g. 3 beschrieben. Im cingeschvvungenen und ausgeregelten Zu-

_ _c __{ρ o} stand fließt über die Kollektor-Emittcr-Strecke des

diejenige in der Spule induzierte Spannung zu ver- 65 Transistors 73 und damit im verstärkten Maße über stehen, die bei gesperrtem Arbeitstransistor 71 die Kolkktor-Emittcr-Strccke des Transistors 74 ein dessen Kollektor-Emitterspannung über die Batterie- durch die Höhe der in der Spule frei induzierten spannung hinaus erhöht. Spannung und die Bemessung der Bauelemente vor-

gegebener Inipulsstrom, der am Kondensator Cl eine anordnung nach F i g. 5 läßt sich ein integriertes Baubestimmte mittlerer Spannung entstehen läßt. Diese element schaffen, das nur fünf äußere Anschlüsse Spannung ist für die Ansprechschwelle des Steuer- benötigt, nämlich zwei für die Batteriespannung und transistors Tl mitbestimmend. Wird nun durch jeweils einen für je ein Ende der Spule L und der irgendeinen beliebigen äußeren Einfluß, beispiels- 5 Kondensatoren Cl und Cl. Diese Anzahl kann bei weise durch einen Stoß oder durch Änderung der den Anordnungen nach F i g. 3 und 4 sogar auf vier Batteriespannung, der mechanische Schwinger zu Anschlüsse verringert werden, da in diesen Schaltuneiner größeren Amplitude angeregt, so wird in der gen nur jeweils ein Kondensator enthalten isi.
Spule auch eine größer; Spannung U₁ (Fig. 2) indu- Wird die monolithische Integration der Schaltungsziert, deren Scheitelwert«, größer ist als der des ein- io anordnungen mit den in den Fig. 3 bis 5 eingezeichgischwungenen Zustands. Somit fließt im Transistor ncteu Ldiungstypcn der einzelnen Transistoren vor-7"3 ein größerer Emitter- und Kollektorstrom, der genmmen, sind a'.so die Transistoren Tl und 74 wiederum einen verstärkten Emitterstrom des T*an- pnp-Transistoren und die Transistoren Tl und 7" 3 sistors TA veranlaßt. Dadurch lädt sich der Konden- npn-Transistoren, so ist es besonders zweckmäßig, sator C1, bezogen auf den Schaltungsnuilpunkt, mehr 15 den Arbeitstransistor als Substrattransistor auszubilzu negativen Spannungen hin auf, wodurch, wiederum den, d. h., daß dessen Kollektorzone mit der der ganbezogen auf den Schaltungsnullpunkt, die Basisspan- zen monolithisch integrierten Schaltung gemeinsamen nung des Steuertransistors Tl ebenfalls negativer p-Substratzone identisch ist. Dadurch ergibt sich ein ■■vird, so daß sich die Ansprechschwelle dieser Stufe höherer Stromverstärkungsfaktor, ohne daß zusätzvergrößert, d. h., der Steuertransistor Tl schaltet erst ao liehe technologische Maßnahmen ergriffen werden später als im eingeschwungenen Zustand ein, wodu._h müssen.

die Stromflußzeit /, verkürzt und die dem elektro- Schließlich kann bei monolithischer Integration der

mechanischen Schwingungssystem zugeführte Energie Schaltung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors

verringert wird. TA zweckmäßigerweise die Basis-Emitter-Strecke

Bei sehr starker äußerer Einwirkung im Sinne einer as eines Zusatztransistors parallel geschaltet werden, wo-

Erhöhung der Schwingungsamplitude kann infolge der bei zusätzlich der Kollektor dieses Zusatztransistors

Regeiwirkung die Ansprechschweüe U_s so stark ver- mit dessen Basis verbunden ist. Hierbei macht man

schoben werden, daß der Steuertransistor Tl erst zweckmäßigerweise die pn-Übergangsflächen des Zu-

nach einem oder mehreren Impulsen wieder aufge- satztransistors kleiner oder höchstens gleich den pn-

steuert wird, d. h., erst wenn durch die mechanisch? 30 übergangsfiächen des Transistors TA, wodurch der

Dämpfung des Schwingers seine Amplitude wieder KoHektorstrom des Transistors TA von Stromver-

abgcnommen hat. Stärkungsfaktorstreuungen unabhängiger wird, so daß

Erfolgt dagegen die äußeic Einwirkung auf das die Kondensatoren Cl bzw. Cl definierter aufge-

Schwingsystem in der Weise, daß dessen Amplitude laden werden.

verringert wird, so laufen die elektrischen Vorgänge 35 Auf Grund der monolithischen Integrierbarkeit der

mit umgekehrtem Vorzeichen ab. In prinzipiell glei- zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

eher Weise arbeitet die Schaltung nach Fig. 4, nur geeigneten Schaltungsanordnungen und der geringen

daß bei dieser nicht die Basisvorspannung des SteuT- Zahl der dabei benötigten äußeren Anschlüsse sind

transistors, sondern seine Emittervorspannung in A.b- diese besonders für Armbanduhren geeignet. Infolge

hängigkeit von der frei induzierten Spannung geregelt 40 der guten Regeleigenschaften sind sie aber auch mit

wird. Vorteil in solchen Uhren verwendbar, die an stark

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- schwankender Batteriespannung betrieben werden, fahrens angegebenen Schaltungsanordnungen lassen Zum Beispiel zeigte eine mit einer Schaltung nach sich mit Vorteil in monolithisch integrierter Bau- F i g. 5 aufgebaute Uhr bei Batteriespannungsschwanweise, d. h. als Halbleiterfestkörperschaltung realisie- 45 kungen zwischen 1,1 und 1,6 Volt eine Gangabweiren. Im Falle der besonders wirksamen Schaltungs- chung von weniger als 5 s/d.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Zum Unterhalten der Schwingung von elektrome- Patentanspriiche: chanischen Schwingern, wie sie beispielsweise in Uhren als Unruhen, Stimmgabeln, Pendel usw. ver-

1. Verfahren zur automatischen Regelung der . wendet werden, können bekanntlich elektronische Schwingungsamplitude von elektromechanischen 5 Transistorschaltungen dienen. Diese Schalungen Schwingern beim Antrieb über eine einzige Spule, lassen sich in zwei Klassen einteilen, nämlich in die von einer elektronischen Schaltung mit einem solche, die mit zwei Spulen — einer Steuer- und Arbeitstransistor und einem dazu komplementären einer Antriebsspule — die mechanische Schwingung Steuertransistor erregt wird und in den Kollektor- aufrechterhalten, und solche, die nur eine einzige zweig des Arbeitstransistors geschaltet ist, wobei i° (Antriebs-)Spule benötigen.

die Basis des Arbeitstransistors vom Kollektor- Bei beiden Antriebsprinzipien spielt die Konstantstrom des Steuertransistors gespeist wird und die haltung der Schwingungsamplitude des mechanischen Basis des Steuertransistors über elektronische Schwingers eine erhebliche Rolle, da dessen Schwin-Schaltmittel mit dem Kollektor des Avbeitstran- gungsampHtude die Ganggenauigkeit der Uhr wesentsistors verbunden ist, dadu.ch gekenn- 15 Hch beeinflußt. Andererseits ist jedoch die Schwinzeichnet, daß zumindest einer der beiden gungsamplitude von einer ganzen Reihe äußerer Ein-Steuerelektroden (Basis oder Emitter) des Steuer- flüsse abhängig, wie z. B. der Umgebungstemperatur, transistors eine Gleich vorspannung zugeführt der räumlichen Lage der Uhr (insbesondere bei Armwird, deren Höhe durch eine mindestens zwei- banduhren von Bedeutung), der Batteriespannung usw. stufige Regelschaltung derart in Abhängigkeit 2° Die Konstanthaltung der Schwingungsamplitude ist vom Spitzenwert der in der Arbeitsspule frei in- bei Zweispulenschaltungen bereits üblich und stellt duzierten Spannung bestimmt wird, daß sich mit keine besonderen schaltungstechnischen Schwierigzunehmendem Spitzenwert der frei induzierten keiten dar.

Spannung die Ansprechschwelle der den Steuer- Bei Einspulenschaltungen jedoch bereitet die Kontransistor enthaltenden Schaltungsstufe vergrößert 25 stanthaltung der Schwingungsamplitude des mecha- und damit die Stromflußzeit in der Spule verrin- nischen Schwingers auf elektronischem Wege einige gert wird. Schwierigkeiten.

2. Schaliungsanordnung zur Durchführung des Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch geke m- automatischen Regelung der Schwingungsamplitude zeichnet, daß die Regelschaltung zweistufig aus- 30 von mechanischen Schwingern (Unruh, Stimmgabel, geführt ist und aus zwei komplementären Tran- Pendel usw.) beim Antrieb über nur eine einzige sistoren (73, 74) besteht, von denen der erste Spule, die von einer elektronischen Schaltung mit (73) vom gleichen Leitungstyp wie der Steuer- einem Arbeitstransistor und einem dazu komplementransistor (72) ist, mit seiner Basis an das batte- tären Steuertransistor erregt wird und in den Kollekriespannungsseitige Ende der Spule (L) und mit 35 torzweig des Arbeitstransistors geschaltet ist, wobei .,einem Emitter — eventuell über einen Wider- die Basis des Arbeitstransistors vom Kollcktorstrom stand (R3) — an das andere Ende der Spule (L) des Steuertransistors gespeist wird und die Basis des angeschlossen ist, und der zweite (7*4) vom Lei- Steuertransistors über elektronische Schaltungsmitkl tungstyp des Arbeitstransistors (71) ist, mit seiner mit dem Kollektor des Arbeitstransistors verbunden Basis an den Kollektor des ersten Transistors 40 ist.

(73) und rnit seiner Basis und/c⁴ τ mit seinem Eine bekannte Schaltung dieser Art ist in Fig. 1 Emitter jeweils an ein Par"!le! Ac-Glied ([l-o| der Zeichnung dargestellt. Die Spule/. liegt mit R2, Cl bzw. R 1, Cl) angeschlossen ist, das mit ihrem Ende an der Batteriespannunp U_n und einem Ende an Bezugspotential und mit seinem mit ihrem anderen Ende am Kollektor des Arbeitsanderen Ende über einen Widerstand (aR 2) an 45 transistors 71, dessen Basis vom Kollektorstrom des der Basis des Steuertransistors (72) liegt bzw. komplementären Transistors 72 gesteuert wird. Der mit seinem einen Ende an Batteriespannung (U_B) Emitter des Steuertransistors 72 ist, pegenenenfalls und mit seinem anderen Ende am Emitter des über einen Gegenkopplungswidcrstand R t, an der Steue· transistors (72) liegt. Batteriespannung U₁, angeschlossen. Die Basis des

3. Monolithisch in Form einer Halbleiterfest- 50 Steuertransistors 72 liegt einerseits über einen Widerkörperschaltung integrierte Schaltungsanordnung stand Λ 2 am Schaltungsnullpunk! und ist andercrnach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß seits über ein Koppelnetzwerk K mit dem Kollektor die Kollcktorzone des Arbeitstransistors (71) mit des Arbeitstransistors 71 verbunden. Über den Wider der gesamten Halbleiterfestkörperschaltung derstand R 2 fließt der zum Anschwingen der Schalgemeinsamen Substratzone identisch ist. 55 tung erforderliche Basisstrom des Steuertransislors

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 72. Das Koppelnctzwerk kann aus einem Kondcn- oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis- sator, einem Widerstand oder einer Diode oder Emitter-Strecke des zweiten Transistors (74) die ;uis Kombinationen dieser Elemente bestehen (vgl. Basis-F.mitter-Strecke eines Zu- ''iztransistors glei- die deutschen OfTenlfgungsschriften 1 448 348 und chen Leitungstyps parallel geschaltet ist. dessen 6° 1 931 507, die deutsche Auslcgeschrift 1 166 101, die Kollektor mit dessen Basis verbunden ist. französische Auslegeschrif' 2 000 706 und »JahrbiK-h

5. Monolithisch integrierte Schaltungsanord- der Deutschen Gesellschaft für Chronometrie:. nung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, Bd. 20/1 (1°69), Stuttgart 1970_: S. 17 bis 29).

daß die pn-Übergangsflächen des Zusatztransistors Diese bekannte Schaltung isi sowohl für Ein- als

kleiner oder Höchstens gleich den pn-Übcrgangs- 65 auch Mehrmagnetsysleme geeignet, d. h., mit der

flächen des zweiten Transistors (74) sind. Spule L können ein oder mehrere Magnetpolpaarc

zum Aufrechterhalten der mechanischen Schvvingungen zusammenwirken, wobei entweder die Spule fest