Elektronischer Antrieb für Uhren, Zeitmess- und Zeitgebereinrichtung Alle bisher bekannten Antriebe für Uhren mit Röhren- oder Transistorschaltung gehen auf das be kannte Grundprinzip der elektrischen Uhr mit Kon takten zurück. Der Transistor beispielsweise dient bei allen Schaltungen nur zum Ersatz des elektrischen Schalters mit Kontakten. Die Kontaktgebung zur Er zeugung des Arbeitsimpulses erfolgt über die Er regung des Basiskreises des Transistors.
Durch ent sprechende Spulenanordnung und Verwendung von Permanentmagneten wird beim Eintreten oder Aus treten des Magneten in einer Spule ein Spannungs stoss induziert, und dieser Spannungsstoss erregt den Basis-Emitter-Kreis, so dass der Transistor leitend wird. Derartige Schaltungen haben, wie allgemein bekannt ist, Nachteile, welche die Vorteile von Tran sistorschaltungen praktisch aufheben. Insbesondere ist es der Ruhestrom in der Schaltungsanordnung und die ausserordentlich hohe Temperaturabhängigkeit, welche sich nachteilig auf die Konstruktion von Uhren und auf ihre Verwendung auswirken. Der Ruhestrom stellt eine Belastung der Stromquelle dar, welche ein Vielfaches des eigentlichen Nutzstromes ausmacht.
Durch die Temperaturabhängigkeit des Transistors wird die Ganggenauigkeit der Uhren her abgesetzt. Soweit für die mechanischen Teile eine Temperaturabhängigkeit besteht, kommt zu derselben noch derTemperatureinfluss auf dieTransistorschaltung dazu. Eine Kompensation ist nicht möglich, da die Ungenauigkeit für das mechanische Schwingungs gebilde und die Ungenauigkeit aus dem Transistor kreis sich summieren. Darüber hinaus weisen die Uhrenkonstruktionen mit Spulen und Permanent magneten, welche in die Spulen hineinschwingen, noch eine ganze Reihe von andern Nachteilen auf.
Vor allem auch das unschöne Aussehen der ganzen Anordnung schränkt den Gebrauchswert von Uhren nach dem Konstruktionsprinzip mit kontaktloser Steuerung durch Antriebs- und Erregerspulen und Permanentmagnet im Schwingpendel erheblich ein.
Es ist das Ziel der Erfindung, einen elektronischen Antrieb zu schaffen, welcher für alle Arten von Uhren - Schwingpendel-, Drehpendel-, Unruh-, Schrittschaltuhren - und für Zeitmess- und Zeit gebereinrichtungen geeignet ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 dient der Erläuterung des Arbeitsprinzips, während die Fig. 2 bis 5 praktische Ausführungsfor men zeigen.
Der periodische Antrieb wird in allen Fällen durch einen Oszillator in einer besonderen Schaltung er zeugt. Bei Verwendung eines Transistors 1 wird eine Oszillatorschaltung in Form von Rückkopplungsspu len 2 bzw. 3 im Emitter- oder Kollektorkreis und im Basiskreis aufgebaut. Diese Spulen sind durch in Fig. 1 nicht dargestellte Kapselung voneinander ent- koppelt. Die Kapselung ist aber so ausgeführt, dass die Abschirmung nach einer Seite offen ist.
Die Metallkapseln aus dünnem Messig- oder Aluminium blech sind mit dem Plus- oder Minuspol der Strom quelle 4 verbunden. Hierdurch wird eine ohne äussere Beeinflussung blockierte Oszillatorschaltung erzeugt. Im Ruhezustand fliesst praktisch überhaupt kein Strom in den Transistorkreisen. Die offene Seite der Abschirmung ist einem mechanischen Schwingungs gebilde zugewendet, und in dieses Schwingungs gebilde ist ein Permanentmagnet 5 so eingesetzt, dass er nur mit einem Pol über die Spulen oder die Spule 2 und/oder 3 streicht.
In dem Augenblick, wo der Permanentmagnet 5 über eine der Spulen oder die Spulenanordnung hinwegstreicht, entsteht eine er höhte Kopplung der magnetischem Felder, und die Oszillatorschwingungen setzen ein. Die Frequenz der Oszillatorschwingungen und die Amplitude der Schwingungen sind nur abhängig von den Kreiskon stanten des Oszillators, gemäss Fig.l hauptsächlich von den Werten der Spule 2 und einem Konden sator 6. Durch die magnetische Speicherung wird beim Ein- und Aussetzen jeder Schwingung ein In duktionsstrom in der Arbeitsspule erzeugt, welcher zu einer Spannungserhöhung führt.
Diese Spannungs erhöhung beträgt unter den gegebenen Verhältnissen bei Uhrenkonstruktionen etwa das 30- bis 50fache.
Es genügt für den Antrieb derartiger Uhren eine Stromquelle 4 mit einer Betriebsspannung von etwa 1 bis 2 Volt, und die auftretende Spannung an der Antriebsspule erreicht etwa 30 bis 50 Volt. Die Fre quenz des Oszillators liegt in der Grössenordnung zwischen 3000 und 10 000 Hz. Beim Überschwingen der Spulenanordnung 2, 3 durch den Permanent magneten 5 werden Schwingungszüge in der Grössen ordnung von etwa 10 bis 20 Einzelimpulsen bei einer Grundfrequenz von 3000 bis 10 000 Hz, wie angege ben, ausgelöst.
Der Verlauf eines Einzelimpulses wird durch den Permanentmagneten, von dem nur ein Pol für die Kopplung wirksam wird, bereits nadelförmig gestaltet, wobei nach einer Seite vom Nullpunkt sehr hohe Amplituden von 30- bis 50fachem Wert der Grundspannung auftreten. Nach der andern Seite vom Nullpunkt entstehen nur verhältnismässig nied rige Impulsspitzen, welche im Verhältnis zu den nadelförmigen hohen Impulsen kaum in Erscheinung treten. Das oszillographische Bild zeigt einen Schwin gungsverlauf ähnlich dem bekannten Bild bei einem Gleichspannungswandler in Transistorschaltung mit eingeschalteter Diode zur Unterdrückung einer Halb welle.
Die magnetische Kopplung über einen Per manentmagneten mit nur einem Pol führt zu einem Schwingungsbild von gleichsinnigen, nadelförmigen Impulsen, welche in der Antriebsspule ein Magnet feld aufbauen, das den Magneten abstösst. Beim Überstreichen der Antriebsspule wird daher der Magnet selbst ausgelenkt. Ordnet man nun diesen Magneten in einem Pendel oder in einer unruhähn- liehen Konstruktion an, so erhält das Schwingsystem periodische Impulse. Diese periodischen Impulse sind in ihrer Zahl und in ihrer Höhe nur abhängig von den Konstanten des Schwingungskreises der Transi storschaltung.
Es ist auch ohne weiteres möglich, mehrere solcher Permanentmagnete in entsprechen den Anordnungen, wie zum Beispiel bei Drehpendel uhren, in dem mechanischen Schwingungsgebilde unterzubringen, dann entsteht beim Überschwingen jedes Permanentmagneten ein entsprechender Schwin gungszug (Anzahl von Einzelimpulsen), welcher einen Antriebsimpuls zur Weiterdrehung ergibt.
Der Oszillatorkreis kann auch nur mit einer Spule 2 als Selbstinduktion und einem Kondensator 6' und 6" gebildet werden, Fig. 2. Die Selbst induktionsspule ist in diesem Fall die Antriebsspule. Bei Verwendung von zwei oder mehreren Spulen ist die Anordnung der Spulen bedeutungslos. Die Spulen können nebeneinander, hintereinander, ineinander oder in sonst geeigneter Form angeordnet sein. Es kommt nur darauf an, dass der Permanentmagnet eine Kopplung zwischen den Spulen herbeiführt, und dass normalerweise im Ruhezustand eine Entkopplung durch metallische Abschirmung besteht. Sehr zweck mässig ist es, die gesamte Anordnung im Sockel der Uhr unterzubringen, so dass sie völlig unsichtbar ist.
Der oder die Permanentmagneten können gleichfalls in die Pendel oder Drehpendel so eingebaut werden, dass sie völlig unsichtbar sind. Da diese Magneten nicht in irgendwelche Spulen hineinschwingen, son dern nur darüber hinwegschwingen, sind keinerlei Rücksichten auf die Führung des Pendels erforder lich. Es ist auch möglich, durch Verändern des Abstandes zwischen Permanentmagnet und Spulen die Uhr zu regulieren, was bei Anordnungen mit ein schwingendem Magneten und Transistorschaltung als kontaktloser Schalter unmöglich ist. Bringt man bei spielsweise den Permanentmagneten in eine kugel- oder kegelförmige Pendelmasse, so kann ein Gehäuse im Pendel direkt mit Gewinde versehen sein.
Bringt man an der Pendelstange gleichfalls Gewinde an, so lässt sich durch Drehen des Pendelgehäuses eine Regulierung durch Veränderung des Abstandes des Pols des Permanentmagneten vornehmen. In gleicher Weise kann dies bei Drehpendeluhren durch Anheben oder Senken der Pendelkugeln, in die die Permanent magneten eingesetzt sind, erfolgen.
Als Osziliatorschaltung kann jede bekannte Schaltung, wie zum Beispiel auch die Meacham- Brücke oder die Hartley-Schaltung oder eine Multi- vibratorschaltung oder eine Sperrschwingerschaltung oder jede sonst geeignete Schaltung zur Erzeugung von Schwingungen im Frequenzbereich bis etwa 10 000 Hz, angewendet werden. Die Schaltung wird im Grund prinzip so aufgebaut, dass der Schwingungseinsatz nur durch die Kopplung über die Permanentmagneten er folgt.
Im Ruhezustand wird durch eine entsprechende Entkopplung und Vorspannungen dafür gesorgt, dass kein Ruhestrom fliesst.
Für Kleinstuhren ergeben sich besonders vorteil hafte Konstruktionsmöglichkeiten durch Anwendung einfacher Schwingschaltungen mit nur einem Transi stor in Miniaturausführung. Es können sowohl Schrittschaltwerke als auch Werke mit mechanischen Schwingungsgebilden in unruhähnlicher Ausführung aufgebaut werden. Bei einem Schrittschaltwerk wird die Periode der Einschaltung des eigentlichen Schwin gungsvorganges zweckmässig auf eine Sekunde gelegt.
Die Schwingschaltung des Oszillators wird hierbei so gewählt, dass eine Grundfrequenz von etwa 3000 bis 10 000 Hz durch entsprechende Dimensionierung der Selbstinduktionsspule oder der Kondensatoren be steht, und dass diese Grundfrequenz jeweils alle Sekunden auftritt. Auf einfachste Weise ist dies durch die Aufladung eines Kondensators 7 im Basiskreis des Transistors möglich (Fig.2). Der Kondensator wird so dimensioniert, dass die Aufladungszeit genau eine Sekunde beträgt. Durch Vorschalten eines regel baren Widerstandes 8 lässt sich dann die Aufladungs- zeit des Kondensators genau auf den Sekundenwert ein regulieren.
Selbstverständlich kann auch jede andere Schaltzeit angewendet werden, wenn die überset- zungsverhältnisse im Räderwerk entsprechend ge wählt werden. Bei einer Ausführung des Uhrwerkes mit Unruh wird entweder die Unruh selbst aus einem scheibenförmigen Permanentmagneten gebildet, oder es wird ein entsprechender kleiner Permanentmagnet an der Unruh angebracht. Wesentlich ist nur, dass der Permanentmagnet periodisch durch Kopplung den Schwingungsvorgang im Transistorkreis auslöst.
Durch die Anwendung des beschriebenen An triebes ergeben sich für die Uhrenkonstruktion ganz erhebliche Vorteile. Eine Temperaturabhängigkeit besteht überhaupt nicht, da kein temperaturabhän giger Ruhestrom in der Transistorschaltung besteht. Der Stromverbrauch ist ausserordentlich gering. Er liegt bei etwa 10 Prozent verglichen mit Schaltungs anordnungen, in denen der Transistor als kontaktloser Schalter wirkt. Die Ganggenauigkeit ist ausserordent lich hoch, da diese nur von den Kreiskonstanten der Oszillatorschaltung abhängt. Die Regulierbarkeit ist auf einfachste Weise durchzuführen.
Die Uhrenkon- struktion selbst kann in beliebiger Weise ausgeführt werden, da keinerlei Rücksichten auf den elektri schen Aufbau zu nehmen ist. Es ergeben sich hier durch ausserordentlich formschöne und zweckmässige Uhren.
Das Konstruktionsprinzip kann selbstverständlich in gleicher Weise auch für Zeitmesseinrichtungen und für Zeitnormale sowie für Zeitgebereinrichtungen an gewendet werden. Für Zeitnormale kann ein entspre chender, durch Thermostaten regulierter Quarz in die Schaltung eingesetzt werden.
Für Zeitmess- und Zeitgebereinrichtungen kann die Frequenz des Oszillators entsprechend dem Mess- bereich gewählt werden. Für Messungen von Bruch teilen von Sekunden wird man zweckmässig die Grundfrequenz möglichst hoch wählen. Diese Fre quenz ist nur durch die Transistoreigenschaften be grenzt. Bei Verwendung von Röhren kann man belie big hoch gehen mit der Grundfrequenz.
Lässt sich in bestimmten Fällen, welche sich aus der Uhrenkonstruktion ergeben können, die magneti sche Kopplung über einen Magnetpol nicht durch führen, sondern werden beide Pole wirksam, so ist es erforderlich, durch eine eingeschaltete Diode 9 (Fig. 3 und 4) von der dann auftretenden Wechselspannung eine Halbwelle in der Stromzuführung zur Antriebs spule abzusperren. Eine entsprechende Massnahme kann gemäss Fig. 5 auch durch Parallelschaltung einer Diode 9' zur Rückkopplungsspule 3 getroffen werden.
Können in besonderen Fällen nur ganz kleine Per manentmagnete verwendet werden, so dass die Kopp lung nicht fest genug ist, um einen Schwingungsvor gang entsprechend hoher Amplitude der Schwingun gen auszulösen, so wird über eine kleine Hilfswick lung 10 (Fig.4), welche an der Antriebsspule unter gebracht wird, und einen Kondensator 11 zwischen Emitter und Basis eine festere Rückkopplung erzielt.
Fliesst in einem derartigen Fall durch die Antriebs spule nur ein geringer Strom, das heisst, hat die negative Spannung an der Basis des Transistors nur einen bestimmten, aber zu geringen Wert erreicht, ,so erhält die Basis über die Hilfsspule 10 und den Kon densator 11 eine zusätzliche negative Spannung, wel che den Rückkopplungsvorgang stark beschleunigt und die Amplitude der Schwingungen auf den erfor derlichen Wert ansteigen lässt.
Bei Uhren mit Schrittmacherschaltwerken ist es besonders vorteilhaft, durch eine kleine Eisenschraube mit Überzug aus Plastik oder einem andern nicht magnetischen Material an der Spitze einen in der Entfernung einstellbaren Anker, an den sich der Permanentmagnet in Ruhestellung anzieht, zu schaf fen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Uhr in jeder Lage geht. Während der Fortschaltimpulse wird der Magnet in diesem Fall angezogen von dem An triebsspulensystem, und während der Fortschaltpause zieht sich der Permanentmagnet wieder an die Eisen schraube als Ruhestellung. Hierdurch wird jegliche Feder oder Gewicht unnötig.