Spannungs- und Temperaturkompensationsschaltung für elektronische Uhren
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Regulierung elektronischer Uhren durch eine Kompensation der Spannungs- und Temperaturabhängigkeit von Transistorschaltungen. Es ist allgemein bekannt, dass die elektronischen Uhren ihre Amplitude und ihre Frequenz des Drehschwingers direkt in Abhängigkeit von der anliegenden Batteriespannung ändern. In gleicher Weise ändern sich diese für die Regulierung grundlegenden Daten in Abhängigkeit von der Temperatur. Man kann nur Transistoren mit niedrigem Verstärkungsfaktor verwenden, da sonst solche elektronischen Uhren bei Temperaturen unter Null sogar vollkommen stehenbleiben.
Die Temperaturabhängigkeit von Transistoren ist ganz allgemein bekannt. Bei der Verwendung für elektronische Uhren kommt aber zusätzlich noch hinzu, dass sich die Schleusenspannung für die Basis um ungefähr 2 Millivolt pro Grad Temperaturänderung gleichfalls ändert. Durch diese Änderung der Schleusenspannung, also der Erregerspannung, welche für die Steuerung über die Basis wirksam ist, wird aber direkt die Amplitude des Drehschwingers und auch die Frequenz verändert. Steigt die erforderliche Erregerspannung durch Temperaturveränderung so weit an, dass die Öffnung durch die zur Verfügung stehende Induktionsspannung aus der Erregerspule nicht mehr ausreicht, so bleibt die Uhr stehen. Umgekehrt läuft die Uhr wesentlich schneller und der Drehschwinger macht eine wesentlich höhere Amplitude, wenn diese Basisspannung absinkt, da die Induktionsspannung ja in gleicher Höhe bestehen bleibt.
Dazu kommt noch, dass durch die höhere Frequenz und durch die höhere Amplitude sowieso die Induktionsspannung an der Basis ansteigen muss wegen der höheren Geschwindigkeit, mit der sich die Magnete über die Erregerspule hinwegbewegen.
Diese physikalischen Gegebenheiten wirken sich nun bei elektronischen Uhren so aus, dass die Zeitschaltung der Uhr sowohl direkt abhängig von der noch zur Verfügung stehenden Batteriespannung als auch von der Temperatur, in welcher sich die Uhr befindet, läuft.
Man hat daher Versuche unternommen, die Regulierung durch Wirbelstrombremsen und Wirbelstromdämpfungsglieder zu verbessern. Durch solche Wirbelstromdämpfung wird aber die freie harmonische Schwingung vollkommen aufgehoben. Die Isochronismusbedingungen sind dadurch in keiner Weise mehr erfüllt. Es ergeben sich einfache Antriebe, welche von einer bestimmten Stellung aus eine Rotalionsbewegung erzeugen, die an einer anderen, durch die Wirbelstrombremse vorgegebenen Stelle gedämpft werden. Dementsprechend ist die Zeithaltung ausserordentlich schlecht. Ausserdem ist der Anwendungsbereich derartiger Wirbelstromdämpfungen auf solche Fälle beçchränkt, bei denen die Batteriespannungsänderung nur einige Zehntel Volt beträgt.
Die Ergebnisse sind daher in keiner Weise befriedigend.
Man muss die Betriebsdauer der verwendeten Trockenzellen einschränken und vor allem muss man den Strombedarf von vornherein mehr als verdoppeln, um überhaupt die Wirbelstromdämpfung anwenden zu können.
Man geht dabei so vor, dass man den Stromverbrauch so hoch setzt, dass er auch bei der niedrigsten zugelassenen Spannung noch ausreicht, um die Uhr zu betreiben, und vernichtet die höhere abgegebene Energie auf dem Drehschwinger bei höheren Spannungen. Hierdurch wird einmal die Laufzeit herabgesetzt, der Wirkungsgrad ganz erheblich verschlechtert und es wird trotzdem nicht erreicht, dass die Spannungsabhängigkeit und vor allem die Temperaturabhängigkeit vollkommen beseitigt wird.
Durch die Erfindung sollen die geschilderten Nachteile vermieden werden.
Die den Gegenstand der Erfindung darstellende Spannungs- und Temperaturkompensationsschaltung für elektronische Uhren ist dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Antriebsspule oder zur Erregerspule wenig stens zwei in Serie liegende Halbleiterdioden in der gleichen Flussrichtung wie die wirksamen Ströme in den Spulen geschaltet sind, wobei die Schleusenspannung einer einzelnen Diode unter 1 Volt liegt, die Summe der Schleusenspannungen der in Serie liegenden Dioden der zulässigen wirksamen Spannung an der be treffenden Spule entspricht und der fliessende Strom durch die Diodenkombination nach Erreichen der Schleusenspannung in der gleichen Richtung wie der Strom durch die betreffende Spule fliesst.
Verwendet man beispielsweise eine Trockenbatterie, welche eine Anfangsspannung von etwa 1,6 Volt aufweist, und will diese Batterie bis zu einer Endspannung von 1 Volt ausnutzen, so wählt man zwei hintereinandergeschaltete Gleichrichterelemente aus Selen, die etwa eine Schleusenspannung von je 0,5 Volt aufweisen, so dass durch die Hintereinanderschaltung eine Spannung von 1 Volt entsteht. Liegt nun die Spannung aus irgendeinem Grunde entweder durch Spannungserhöhung oder durch Temperaturerhöhung höher als 1 Volt am Kollektor oder Emitter, an dem die Antriebsspule angeschaltet ist, so fliesst der Strom nach Erreichen der vorgegebenen 1 Volt Spannung direkt über den Gleichrichter ab. Es kann also immer nur eine Antriebsspannung von 1 Volt über die Antriebsspule oder die Antriebsspulen wirksam werden.
Auch wenn man beispielsweise 6 Volt oder 12 Volt als Spannungsquelle verwendet, so wird trotzdem auch bei Änderung beispielsweise von 4 auf 8 Volt oder von 10 auf 14 Volt, wie es bei Autobatterien auftritt, keinerlei Amplitudenoder Frequenzänderung an dem Drebschwinger auftreten, wenn eine solche Reihenschaltung aus Gleichrichterelementen unter Ausnutzung der Schleusenspannung des einzelnen Elementes und der richtigen Wahl der Anzahl dieser Elemente vorgenommen worden ist. Wählt man beispielsweise 6 solcher einzelnen Selenplättchen, so kann man dadurch die Spannung auf 3 Volt stabilisieren. Es ist dann gleichgültig, ob die Batteriespannung, also die Speisespannung, 4 oder 8 Volt beträgt.
Besonders vorteilhaft ist es aber, dass man mit dieser Parallelschaltung von Gleichrichterelementen Uhren stabilisieren kann, welche mit Trockenbatterien arbei ten da hier die Kollektorspannung, wenn man die Antriebsspule in den Kollektorkreis legt, bereits so niedrig liegt, dass andere Elemente, wie Zenerdioden usw., nicht anwendbar sind. Gerade in diesem Bereich von 1 bis 2 Volt lassen sich Zenerdioden aus physikalischen Grundsätzen nicht herstellen. Zenerdiodenschaltungen, wie vom Anmelder gleichfalls angegeben - D. B. P.
Nr. 1109 615 -, sind daher nur geeignet, wenn eine höhere Spannung an der Antriebsspule liegt, oder wenn eine höhere Batteriespannung zur Verfügung steht, die mindestens über 3 Volt liegt. Auch die Zenerdiode für 3 Volt weist aber noch keinen sehr scharfen Knick auf, so dass die Stabilisierung mit 3 Volt für diese Spannung noch sehr unvollkommen bleibt.
In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen schematisch erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Spannungs- und Temperaturkompensationsschaltung, bei der die Dioden parallel zur Antriebsspule geschaltet sind.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung, bei der die Dioden parallel zur Erregerspule liegen.
Fig. 3 zeigt die gleiche Parallelschaltung wie in Fig. 2, jedoch zusätzlich mit einem Widerstand im Basis-Emitterkreis.
Fig. 4 zeigt eine Schaltung, bei der die Dioden parallel zur Arbeitsspule liegen, wobei je zwei Antriebsund zwei Erregerspulen vorhanden sind.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung liegen parallel zur Antriebsspule 1 drei hintereinandergeschaltete Halbleiterdioden 2. Dadurch wird die Spannung an der Antriebsspule 1 stabilisiert, so dass also keinesfalls eine höhere Spannung auftreten kann als die Endspannung der Batterie. Um auch die durch Temperaturerhöhung oder -erniedrigung bedingte Änderung der Schleusenspannung des Transistors selbst auszugleichen, ist es aber noch erforderlich, einen Längswiderstand 3 in den Leitungszug der Erregerspule 5 zwischen Basis und Emitter zu schalten (siehe auch die Fig. 3 und 4).
Dieser Längswiderstand liegt in der Grössenordnung von etwa 20 bis 50 kOhm. Er entspricht also dem fliessenden Erregerstrom, wobei der Widerstand so bemessen ist, dass dieser Strom, welcher zur Öffnung des Transistors erforderlich ist, bei der Normaltemperatur den erforderlichen Spannungsabfall an den Widerstand ergibt. Ändert sich nun die Schleusenspannung, wie angegeben, um etwa 2 Millivolt pro Grad Temperatur änderung, so wirkt dieser Längswiderstand strombegrenzend. Hierdurch kann kein höherer Strom innerhalb des Transistorkreises fliessen. Es würde nämlich sonst geschehen, dass zwar die Spannung am Kollektor, also an der Antriebsspule, stabilisiert ist, es würde aber u. U.
ein sehr hoher Strom durch die Dioden-Parallelschaltung fliessen können, wenn dieser durch die höhere Erregung des Basiskreises auftritt. Es muss in jedem Fall dafür gesorgt werden, dass dieser Strom, der durch Temperaturerhöhung sehr erheblich ansteigen könnte, gleichfalls stabilisiert wird.
In besonderen Fällen, wo die Erregerspannung etwa in der Grössenordnung der Schleusenspannung einer Selen- oder Siliciumdiode entspricht, also beispielsweise 0,5 bis 0,6 Volt für eine Germanium-Transistor-Uhr, kann man auch in einfacher Weise parallel zur Erregerspule 5 eine gleiche Diode 4 wie für die Antriebsspule 1 beschrieben, schalten. Auch hierbei wird die Diode 4 in Flussrichtung parallel zur Erregerspule 5 so gelegt, dass nach Erreichen der Schleusenspannung, also 0,5 bis 0,6 Volt, der Strom, welcher dann der höheren Spannung entspricht, über die Diode 4 kurzgeschlossen ist und darüber abfliesst. Auf diese Weise kann man auch in einfacher Schaltungsanordnung die Höhe des Erregerstromes begrenzen.
Bei Verwendung von Silicium-Transistoren, die bereits eine Spannung von mehreren Volt für die Öffnung des Transistors erfordern, schaltet man gemäss Fig. 2 eine entsprechende Zahl von Dioden 4 hintereinander und legt diese Diodenanordnung parallel zur Erregerspule 5. Ein Längswiderstand zwischen Basis und Emitter ist hier nicht vorgesehen.
Die Schaltung nach Fig. 3 entspricht derjenigen nach Fig. 2, allerdings mit dem Unterschied, dass hier drei Erregerspulen 5 und ein Längswiderstand 3 vorgesehen sind. Zu jeder Erregerspule 5 ist eine Diode 4 parallel geschaltet.
Fig. 4 zeigt schliesslich eine Schaltung mit zwei Antriebsspulen 1 mit je einer parallel dazu geschalteten Diode 2; ausserdem sind hier zwei Erregerspulen 5 vorgesehen, wobei jeder derselben ein Längswiderstand 3 zugeordnet ist.
Da die Selenplättchen oder Siliciumplättchen nur etwa einen Durchmesser von 2 mm besitzen und eine Dicke von wenigen Zehntel Millimeter, so ist ein sehr einfaches und billiges Bauelement für die Zwecke der Temperatur- und Spannungskompensation verwendbar.
Der Aufwand für eine solche Diode ist in jedem Fall niedriger als beispielsweise eine Bedämpfung mit grossen Kondensatoren oder durch eine Wirbelstrombremse. Dabei ist aber das Resultat überhaupt nicht vergleichbar.
Bei einer solchen Schaltungsanordnung der Diode parallel zur Antriebsspule kann sich die Speisespannung beispielsweise von 0,9 Volt auf 14 Volt oder auch höher ändern, ohne dass eine Änderung der Amplitude oder der Frequenz des Drehschwingers auftritt. Da die Öffnungsspannung für eine solche Diodenanordnung ausserordentlich scharf auf einen immer gleichen Wert ab gestimmt ist, der nur von dem verwendeten Material abhängt, so gilt auch für die Stabilisierung ein immer gleicher, exakter Spannungswert an der Antriebsspule, der keine grossen Streuungen durch die Schaltelemente aufweist.
Der Vorteil dieser Spannungs- und Temperaturkompensation ist ganz ausserordentlich. Der Wirkungsgrad wird nicht verschlechtert, da die Impulse ausserdem noch kürzer werden. Der Stromverbrauch geht um mindestens 25 % zurück. Die Schaltungsanordnung ist sehr einfach und erfordert nur einen ganz geringen Aufwand, der in jedem Fall niedriger ist als bei allen anderen für den gleichen Zweck anwendbaren Massnahmen. Die Ganggenauigkeit der Uhren mit solcher Spannungs- und Temperaturkompensation ist mit anderen Anordnungen überhaupt nicht erreichbar. Es bleibt eine völlig freie Schwingung der Unruh bestehen. Die Isochronismusbedingungen sind bei dieser Art der Schaltungsanordnung in jedem Fall eingehalten.