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Circuit d'entretien d'un dispositif mécanique résonnant, d'un garde-temps La présente invention a pour objet un circuit d'entretien d'un dispositif mécanique résonnant, d'un garde- temps.
On sait que ce dispositif peut être constitué par un résonateur ou par un moteur, électrodynamiques ou électromagnétiques, actionnant les aiguilles.
Ces dispositifs effectuent un mouvement alternatif quasi sinusoïdal, dont l'amplitude doit être aussi constante que possible. Cette amplitude dépend de plusieurs facteurs, en particulier de la durée des impulsions appliquées par le circuit d'entretien, de la tension de la batterie, du coefficient de couplage électromagnétique, des frottements et autres causes de dissipation d'énergie, etc. Certains de ces paramètres sont susceptibles de varier en cours de fonctionnement: la tension de batterie baisse en vieillissant, les frottements varient avec la température, l'état de l'huile, les défauts mécaniques, etc.
Le but de l'invention est d'asservir la durée des impulsions à un au moins des paramètres susceptibles de varier, de façon à diminuer ou même compenser la variation d'amplitude du mouvement du dispositif mécanique.
Le circuit d'entretien selon l'invention, qui comprend un univibrateur commandant l'application d'une impulsion au dispositif est caractérisé en ce que la durée de l'impulsion émise par l'univibrateur est réglable et commandée par au moins un paramètre du garde-temps de façon à compenser au moins partiellement les variations de l'amplitude du dispositif mécanique, provoquées par les variations dudit paramètre.
Le dessin représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution du circuit La fig. 1 représente le schéma-bloc de la première forme d'exécution.
La fig. 2 représente le schéma de détail du circuit selon fig. 1. La fig. 3 représente le schéma-bloc de la deuxième forme d'exécution.
La fig. 4 représente le schéma de détail du circuit selon fig. 3.
La fig. 5 est un diagramme explicatif du fonctionnement du circuit selon fig. 3.
La fig. 6 représente le schéma-bloc d'une troisième forme d'exécution comprenant deux univibrateurs.
La fig. 7 représente le schéma de détail du circuit selon fig. 6.
La fig. 8 est un diagramme explicatif du fonctionnement du circuit selon fig. 6.
Dans les fig. 2, 4 et 7, les symboles intermédiaires entre celui d'une capacité usuelle et celui d'une diode usuelle représentent des capacités-jonctions convenant particulièrement bien aux circuits intégrés, dans lesquels on peut réaliser une capacité au moyen d'une jonction p-n de surface appropriée. Cette jonction se comporte effectivement comme une capacité non linéaire si elle est bloquée. Si elle est au contraire polarisée dans le sens direct, elle se met à conduire le courant comme une diode. Dans un circuit à éléments discrets, la capacité- jonction peut être remplacée par un condensateur normal en parallèle avec une diode.
Dans les circuits représentés, les éléments suivants utilisent à la fois l'effet capacité et l'effet diode : CI, C11, C21, C22. Les éléments suivants utilisent uniquement la propriété de capacité et sont polarisés de façon que, s'ils sont établis à l'aide de capacités-jonctions, ces jonctions ne soient jamais polarisées au-delà du seuil de conduction : C2, C12, C13 , Ç23, C24, C25 La fig. 1 représente le schéma-bloc de la première forme d'exécution. Elle comprend une batterie d'alimentation 1, un univibrateur 2 et un amplificateur de sortie 3 alimentant un organe électromécanique 4 (moteur d'affichage ou résonateur).
La batterie alimente l'univibra-
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teur 2 en 5 et l'amplificateur 3 en 6. Outre la tension UB reçue en 5, l'univibrateur 2 reçoit également cette tension à une entrée 7, la tension appliquée en 7 servant au réglage de la durée des impulsions engendrées par l'uni- vibrateur. L'univibrateur présente encore une entrée 8 par laquelle sont appliquées les impulsions de déclenchement fournies, par exemple, par l'organe électromécanique.
Dans cette forme d'exécution, la tension UB appliquée en 7 est destinée à asservir la durée des impulsions à la tension de batterie de façon à diminuer l'effet des variations de cette tension UB sur l'amplitude du mouvement de l'organe électromécanique 4.
Une théorie de première approximation montre la relation à satisfaire de façon que la fonction recherchée soit réalisée. Soit f la fréquence du signal d'entrée, supposée égale à la fréquence de résonance fo de l'organe mécanique. Cet organe comporte un enroulement dont la résistance est R. Il est animé d'un mouvement quasi sinusoïdal sous l'effet des impulsions. La conversion d'énergie électromécanique étant réciproque, ce mouvement provoque à son tour une tension induite d'amplitude Ui, proportionnelle à l'amplitude du mouvement (ou plus précisément à sa vitesse de pointe, ce qui revient au même ici).
Si l'on admet que l'amplificateur final agit comme un commutateur idéal fermé pendant la durée T de l'impulsion et ouvert pendant le reste de la période, la tension appliquée au moteur pendant l'impulsion est égale à la tension de batterie UB . Pendant cette phase, le courant est déterminé par la résistance de l'enroulement i = (U$ - -Ci) / R Si l'on admet, en première approximation, que la tension induite passe par sa valeur de pointe Ci pendant l'application de l'impulsion et varie peu pendant sa durée T, la puissance moyenne Pm fournie au moteur (puissance mécanique) est Pm=fT.Ui.i (2) combinons les équations (1) et (2) P,
n = fTUi (U$ - Ûi) / R (3) La dissipation de puissance mécanique peut se représenter par une conductance équivalente G., proportionnelle, par exemple, aux frottements. On aura donc
EMI2.27
En combinant les équations (3) et (4) et en résolvant par rapport T, on obtient la condition à satisfaire pour obtenir une tension induite donnée
EMI2.29
Cette relation montre que si T varie comme 1/(U$ -Ci), l'amplitude du mouvement mécanique sera insensible à une variation de la tension de batterie. Cette relation n'est valable que si fT < 1 et UB > Ûi.
La fig. 2 représente le schéma de détail du circuit selon la première forme d'exécution. Il comprend un univibrateur formé de deux transistors Tl, T2 montés en émetteur commun, Tl étant alimenté à travers une résistance R2 et T2 à travers des résistances R3 et R4. La base de Tl est alimentée, à travers une résistance R5, par le point commun des résistances R3 et R4 et la base de T2 par une résistance RI en série avec une diode Dl.
Un condensateur à jonction (diode de grande capacité) Cl, travaillant à la fois comme condensateur et comme diode, est couplé entre le collecteur de Tl et la base de T2, tandis que les impulsions de déclenchement sont appliquées à la base de Tl par un condensateur à jonction C2, travaillant uniquement comme condensateur. L'amplificateur de sortie est constitué par un transistor T3 dont le circuit émetteur-collecteur est monté en série avec le moteur M et la batterie S de tension UB. Ce transistor T3 travaille sensiblement comme un interrupteur ouvert ou fermé et il est commandé par la tension de collecteur de T2.
L'univibrateur possède un état stable caractérisé par T2 saturé, Tl et T3 bloqués. Dans cet état, le courant de base de T2 est fourni en grande partie à travers la résistance R2 et l'élément CI. La tension au collecteur de Tl s'établit à une valeur égale à la tension 2UD de deux diodes en série (diode base-émetteur de T2 et diode Cl). Le rapport des résistances R3 et R4 est choisi de façon que Tl soit au seuil de conduction.
Lorsqu'une impulsion positive est appliquée à l'entrée, à travers CE, le transistor Tl conduit et se sature à la tension UB, ce qui provoque une chute de tension 2UD-Us à son collecteur. Ce saut de tension est transmis à la base de T2 à travers CI, T2 se bloque, la tension de son collecteur croît jusqu'à la tension de base de T3. Les résistances R3 et R4 sont choisies de façon que le courant de base soit suffisant pour saturer le transistor T3, qui agit alors comme un commutateur et relie le moteur M à la batterie.
La durée de cet état est déterminée par le courant qui, à travers RI et Dl charge peu à peu Cl et fait croître la tension de base de T2. Lorsque le seuil de conduction de T2 est atteint, la tension de collecteur de T2 commence à baisser et un processus régénératif se poursuit jusqu'à ce que l'état initial soit rétabli.
Une théorie simplifiée du circuit montre que la durée de l'état métastable, donc la durée de l'impulsion, vaut
EMI2.87
ou, si UB > 2UD
EMI2.90
Cette formule montre une dépendance de T par rapport à UB de même forme que la relation idéale (5), pour autant que les tensions UD et US ne dépendent pas de UB, et que la tension induite soit égale à 2UD. Si ces conditions ne sont pas remplies, le réglage de l'amplitude sera trop grand ou trop faible.
En supprimant la diode Dl et en reliant directement la résistance RI à la batterie, la durée de l'impulsion vaut:
EMI2.97
Le réglage d'amplitude sera parfait si la tension induite a une valeur de consigne égale à UD, soit à la moitié de sa valeur dans le cas précédent.
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Par un choix convenable de l'élément Dl, il est possible d'ajuster le circuit de façon qu'il compense au mieux l'effet de la tension de batterie sur la tension induite.
De plus, l'insertion d'une diode Dl permet d'obtenir une durée d'impulsion T au moyen d'éléments RI et Cl de valeur très faible. Cet avantage est appréciable dans les circuits intégrés, à cause de la réduction de surface et du prix qui en résulte.
La fig. 3 représente le schéma-bloc d'une deuxième forme d'exécution. Ce circuit permet en plus du réglage sur UB de compenser partiellement les effets dus à une variation de la charge du moteur, c'est-à-dire à une variation de la conductance G. (équation 4).
Ce circuit comprend une batterie 11, un univibrateur 12, un amplificateur de sortie 13 alimentant un organe électromécanique 14. La batterie alimente l'univibrateur 12 en 15 et l'amplificateur 13 en 16. Outre la tension UB reçue en 15, l'univibrateur 12 reçoit également une tension de réglage à une entrée 17, ceci par l'intermédiaire d'un redresseur 19. On voit que ce circuit diffère de celui de la fig. 1 en ce que la tension de réglage est obtenue à partir de la tension appliquée au moteur, après redressement, afin d'être proportionnelle à la somme UB -i- Ci.
La fig. 4 représente le schéma de détail de cette deuxième forme d'exécution.
Elle comprend un univibrateur formé de deux transistors Tll et T12 montés en émetteur commun, Tll étant alimenté à travers une résistance Rl2 et T12 à travers des résistances R13 et R14. La base de Tll est alimentée, à travers une résistance R15, par le point commun des résistances R13 et R14 et la base de T12 par une résistance R11 en série avec une capacité à jonction C13, travaillant uniquement comme capacité.
Un condensateur à jonction Cl, travaillant à la fois comme capacité et comme diode est couplé entre le collecteur de Tll et la base de T12, tandis que les impulsions de déclenchement sont appliquées à la base de Tll par un condensateur à jonction C12, travaillant uniquement comme condensateur. L'amplificateur de sortie est constitué par un transistor T13 dont le circuit émetteur-collecteur est monté en série avec le moteur M et la batterie B. Enfin, le collecteur de Tl3 est relié au point commun de RI, et C13 par une diode Dl,.
On voit que ce circuit se compose des mêmes éléments que le circuit de la fig. 2, à cela près que la tension de réglage est obtenue à partir de la tension à la borne du moteur reliée à Tl3, cette tension étant redressée avant d'être introduite dans 1'univibrateur, afin d'être proportionnelle à UB -f- Ci.
La fig. 5 est un diagramme explicatif du fonctionnement du circuit selon la fig. 3. Elle représente la tension de batterie UB, la tension Um à la borne du moteur reliée au transistor T13, la tension Uc 13 à la capacité C13 destinée au réglage de la durée des impulsions, la tension UB 12 à la base du transistor T12 et le potentiel de rétablissement Ur vers lequel tendent U013 et U]312 pendant la phase métastable de 1'univibrateur. La tension induite n'est pas accessible directement,
mais elle est égale à Ujl tant qu'aucun courant ne circule dans l'enroulement du moteur (phases I, II et IV).
Phase I Ui croît, la diode Dl, conduit et charge C13 à la valeur de pointe (Ûi -I- UB - UD) où UD est la chute de tension aux bornes de Dll. Phase II U; décroît, la diode D11 se bloque et C13 se décharge lentement à travers R11 dont l'autre borne se trouve à la tension de base de Tl2.
Phase III Au moment de l'arrivée de l'impulsion de déclenchement, C13 a une certaine tension de réglage UR et Cl, est chargé à la tension UD constante. L'impulsion sature Tll , qui bloque T12 et sature T13. Les capacités Cl, et C-13 se déchargent ensuite l'une dans l'autre à travers R11. La tension de base de T12 tend vers un potentiel de rétablissement Ur déterminé par le rapport de CI, et C13 et par les charges respectives de celles-ci. Au moment où cette tension atteint le seuil de conduction de T12, celui-ci se sature et l'univibrateur retrouve son état de repos.
Phase IV La tension induite augmente jusqu'au moment où Dl, conduit à nouveau.
La durée T de la phase III, qui correspond à l'état métastable de l'univibrateur et à la durée de l'impulsion alimentant l'organe résonnant, est donnée par l'expression suivante
EMI3.86
où UR est la tension du réglage UC13 au début de la troisième phase. Les différences par rapport à (6) sont dues, d'une part, à la présence de C13 et, d'autre part, à la tension UR, qui remplace la tension de batterie U]3. UR dépend de UB et Ci d'une manière assez complexe, et qui assure les réglages suivants a) Un réglage de la durée des impulsions par rapport aux variations de la tension de batterie, comme dans le circuit de la fig. 2.
b) Un réglage de la durée des impulsions par rapport aux variations de la charge mécanique (G.). Si U; diminue par rapport à sa valeur de consigne, la charge de Cl, diminue, de même que UR, d'où une augmentation de la durée T des impulsions, compensant partiellement cet effet aux périodes suivantes. Si Ui augmente, l'effet inverse se produit.
c) Un réglage de la durée des impulsions par rapport aux variations de la phase. Lorsque la phase entre la tension induite et les impulsions varie, elle modifie la durée de décharge du condensateur C13 à travers la résistance RI, (phase II de la figure). La relation entre UR et UB -f- Ci s'en trouve affectée. Si la phase varie avec la charge, un nouvel effet de réglage se superpose aux précédents.
A la fin de la phase II, la tension UR aux bornes de Cl3 est d'autant plus grande que le produit RI, C13 est grand (à la limite, elle est égale à UB -I- Ci - UD). La durée de la phase III, donnée par l'équation (9), serait proportionnelle à R11, si UR était constant, et serait une fonction décroissante de UR si les autres paramètres étaient constants. Une variation de RI, agit en réalité doublement sur la durée des impulsions, et il est possible que ces deux effets se compensent approximativement.
D'une façon analogue, l'influence des capacités sur la constante de temps de l'équation (9), et sur la tension de réglage UR est telle que T croît avec CI, et décroît avec C13. Il est possible de choisir les valeurs des éléments
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de façon que T ne dépende que du rapport CI,/C,3, et soit insensible à une variation simultanée de C11 et Cl3 qui conserve ce rapport. Le circuit de la fig. 4 assure donc encore les réglages suivants par rapport à des variations de ses propres éléments.
d) Une modification de la tension de réglage UR tendant à diminuer et même à compenser l'effet d'une variation de la résistance R11 sur la durée des impulsions.
e) Une modification de la tension de réglage UR tendant à diminuer et même à compenser l'effet d'une variation simultanée des capacités Cil et C-13, pour autant que cette variation maintienne constant le quotient Cil/C13.
Dans la présente description, on comprend par uni- vibrateur, non seulement les univibrateurs décrits, mais, d'une façon générale, tout circuit déclenché par une impulsion de commande et produisant une impulsion dont la durée est une fonction d'une tension de réglage.
La fig. 6 représente le schéma-bloc de la troisième forme d'exécution.
Elle comprend une batterie 21, un premier univibra- teur 22 commandant un second univibrateur 23 qui commande lui-même un amplificateur de sortie 24. Le signal de sortie de l'amplificateur 24 est appliqué à un résonateur 25 ainsi qu'à un redresseur 26 et à un amplificateur de captage 27. Les univibrateurs 22 et 23, ainsi que les amplificateurs 24 et 27, sont alimentés par la batterie 21. L'amplificateur de captage 27 applique des impulsions positives correspondant aux parties positives de la tension induite, à l'entrée 32 de l'univibrateur 22.
Ces impulsions déclenchent l'univibrateur 22 qui introduit un retard constant aussi indépendant que possible des conditions extérieures (tension d'alimentation, température).
Cet univibrateur 22 déclenche l'univibrateur 23 en appliquant ses impulsions de sortie à retard constant, à l'entrée 33 de l'univibrateur 23. Ce dernier applique à l'entrée 34 de l'amplificateur 24 des impulsions de durée variable dépendant de la tension de batterie et de la tension induite du résonateur, la tension de réglage correspondante étant appliquée par le redresseur 26 à l'entrée 35 de l'univibrateur 23.
La fig. 7 représente le schéma de détail de la forme d'exécution selon la fi-. 6.
L'univibrateur 22 du schéma-bloc de la fig. 6 comprend deux transistors T21, T22 montés en émetteur commun et en série avec des résistances R21, R24- Ils sont interconnectés et polarisés par des résistances R22, R23, R25 et R29 et un condensateur semi-conducteur C21, travaillant à la fois comme condensateur et comme diode. Le point commun aux deux résistances R22, R23 est relié à la masse par l'intermédiaire de deux diodes Dl,.
Les diodes Dl, et la capacité C21 permettent de rendre la période de l'univibrateur indépendante de la tension d'alimentation. Les impulsions de l'amplificateur de captage 27 sont appliquées à la base de T21 par l'intermédiaire d'une capacité semi-conductrice C23 travaillant uniquement comme condensateur. Le deuxième univibra- teur 23 comprend un transistor T23 monté en émetteur commun et en série avec une résistance R28.
La base est reliée, d'une part, au collecteur de T22 par une capacité semi-conductrice C22 travaillant à la fois comme condensateur et comme diode et, d'autre part, à la borne positive de la batterie B par une résistance R27 en série avec une capacité semi-conductrice C24, travaillant uniquement comme condensateur.
Le point commun aux éléments C24 et R27 est relié à la sortie de l'amplificateur de sortie 24 de la fig. 6 par une diode D22 constituant le redresseur 26 de la fig. 6.
L'amplificateur de sortie 24 est constitué, comme dans les formes d'exécution précédentes, par un transistor T24 dont le circuit émetteur-collec- teur est monté en série avec le résonateur R et qui fonctionne comme commutateur. L'amplificateur de captage 27 est constitué par un transistor Tes monté en émetteur commun et en série avec une résistance R30. La base est connectée à la borne positive de la batterie B par une résistance R29 ainsi qu'au collecteur de T24 par une capacité semi-conductrice C25, travaillant uniquement comme condensateur.
Sa tension de sortie, prélevée au collecteur de T25, est appliquée à la base de T21 par l'intermédiaire de la capacité C23. Le circuit de captage ainsi constitué a une polarisation automatique afin de faciliter le démarrage.
Les signaux représentés aux lignes 1 à 4 de la fig. 8 sont ceux apparaissant aux points Xi à X4 respectivement du circuit de la fig. 7.
Les avantages des circuits décrits ci-dessus sont les suivants - La stabilisation de l'amplitude d'un moteur d'affichage par rapport à une variation de la tension de batterie prolonge la durée de la pile, soit la période pendant laquelle le fonctionnement est correct.
- La stabilisation de l'amplitude d'un résonateur par rapport à une variation de la tension de batterie diminue la dérive de fréquence due à un défaut d'isochronisme.
- La stabilisation de l'amplitude d'un moteur d'affichage par rapport à une variation de la charge augmente sa fiabilité, diminue sa sensibilité à toutes sortes d'effets externes (positions, chocs, champ magnétique, variation de température) ou internes (dégradation de l'huile, saletés, défauts de fabrication, réaction du rouage) et augmente les tolérances de fabrication.
- Le même avantage se trouve pour un résonateur couplé au rouage par un système d'encliquetage, avec, en plus, une amélioration de la stabilité de fréquence.
- Les présents circuits sont destinés à être réalisés sous forme de circuits intégrés. Les valeurs des éléments sont choisies de façon qu'elles soient compatibles avec les possibilités technologiques actuelles (technique planar, isolation à jonction, résistances bi-diffusées, condensateurs à jonction, transistors n-p-n par exemple).
- Les tolérances nécessairement assez lâches associées avec les circuits intégrés n'ont pas une influence néfaste sur les circuits proposés. L'une des variantes en particulier (circuit II) est très peu sensible aux variations des résistances et tolère également des variations importantes des capacités, pour autant que les rapports entre les capacités restent sensiblement constants.
- Rendement élevé de l'étage final d'amplification, quelle que soit l'amplitude du mouvement de l'organe mobile grâce au réglage de la durée des impulsions et à l'absence d'éléments résistifs en série avec le moteur.