Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsschaltung für zeithaltende Geräte, insbesondere für Uhren.
Es ist bereits eine Antriebsschaltung für zeithaltende Geräte bekanntgeworden. bei der mit mehreren stationären, permanenten Magneten eine schwingfähige, als Steuer- und Antriebsspule wirkende Spule zusammenwirkt, die einen Teil einer monostabilen Multivibratorschaltung bildet. Diese Schaltung weist zwei komplementär zueinander angeordnete Transistoren, ein RC-Glied und eine Gleichstromquelle auf.
Die Anordnung ist dabei derart, dass in Ruhestellung des Schwingsystems beide Transistoren dauernd gesperrt sind.
Damit ist dieses Schaltungssystem nicht selbstanlaufend. Beim mechanischen Schwingen des Systems werden über den in der Spule erzeugten Impuls beide Transistoren geöffnet, doch fliesst lediglich über einen Transistor der Spulenstrom, während über den anderen Transistor parallel hierzu ein für den Antrieb nutzloser Strom in einer beachtlichen Höhe von mindestens 20tor oder mehr des Gesamtstromes fliesst. Dies bedeutet. dass eine bestimmte Batterie eine kürzere Lebensdauer hat oder dass für eine vorgegebene Lebensdauer eine erössere Batterie verwendet werden muss (USA-Patent Nr. 3 046 460).
Des weiteren ist eine Antriebsschaltung für ein zeithaltendes Gerät bekanntgeworden, die einen permanenten Magneten. eine relativ hierzu schwingende, als Steuer- und Antriebsspule ausgebildete Spule, zwei komplementär geschaltete Transistoren. ein RC-Glied und eine Brücke mit vier Brückenzweigen aufweist. von denen ein Brückenzweig die Spule ist, während die anderen drei Brückenzweige von Widerständen gebildet sind. Die eine Diagonale der Brücke liegt am Eingang des einen Transistors und die andere Diagonale am Ausgang des anderen Transistors. Diese Schaltung hat zwar den Vorteil, dass das mechanische Schwingungssystem selbst anlaufen kann. doch ist es wegen der Vielzahl von Widerständen verhältnismässig aufwendig.
Ausserdem fliesst ein Teil des Batteriestromes während des Antriebsimpulses über zwei Widerstandsbrückenzweige. und der eine Zweigstrom ist für den Antrieb nutzlos, so dass hierdurch die Lebensdauer der Stromquelle entsprechend herabgesetzt wird. Ausserdem liegt noch in Reihe mit der Spule ein weiterer Widerstand, der ebenfalls einen Energieverlust bedeutet, da der ihn durchfliessende Antriebsimpuls einen Spannungsabfall bewirkt.
Es ist auch schon bekanntgeworden, eine Antriebsschaltung mit nur einem Transistor und einer einzigen, als Steuerund Antriebsspule wirkenden Spule vorzusehen. Um hier jedoch das System elektrisch schwingfähig zu machen, ist ein Rückkopplungstransformator vorgesehen. Eine derartige Schaltung ist zwar selbstanlaufend, doch wird die Verstärkung lediglich durch einen einzigen Transistor bewirkt, der einen entsprechend hohen Verstärkungsfaktor haben muss, um die Schwingung elektrisch in Gang zu halten. Ausserdem ist bei der üblichen räumlichen Beschränkung, wie dies bei Uhren meist zutrifft. ein Transformator unerwünscht, da er wesentlich mehr Raum als die meisten anderen Komponenten, auf jeden Fall viel mehr Raum als ein zweiter Transistor benötigt.
Ausserdem ist er teurer als die zur Zeit auf dem Markt erhältlichen Transistoren (USA-Patent Nr. 2 909 732).
Es ist an sich bei Oszillatorschaltungen auch bekannt, die Emitter eines PNP-Transistors und eines NPN-Transistors direkt miteinander zu verbinden, so dass beide Emitter Kollektor-Strecken in Reihe geschaltet sind und so ein asymmetrischer Multivibrator gebildet wird (USA-Patent Nummer 2 769 907); eine derartige Schaltung wurde jedoch bis jetzt zum Antrieb mechanisch schwingender Gebilde nicht verwendet.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Antriebsschaltung für zeithaltende Geräte, insbesondere für Uhren, die einerseits ein Selbstanlaufen der Anordnung gewährleistet, anderseits jedoch eine geringere Stromaufnahme und einen geringeren Raumbedarf aufweist, als dies bei den für Uhren bekannten Schaltungen der Fall ist, und die schliesslich eine kostensparende Fertigung erlaubt.
Die erfindungsgemässe Antriebsschaltung, die mindestens einen permanenten Magneten und eine Spule aufweist, die Teile des mechanischen Schwingungssystems bilden sowie dessen Antrieb bewirken, wobei die als Auslöse- und Antriebsspule wirkende Spule Bestandteil einer zwei komplementäre Transistoren, ein RC-Glied und eine Stromquelle enthaltenden Multivibratorschaltung ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle, die Spule und beide Emitter Kollektor-Strecken der Transistoren in Reihe geschaltet sind, dass die Emitter beider Transistoren miteinander und Basis und Kollektor eines jeden Transistors leitend mit je einem der beiden Pole der Stromquelle verbunden sind, und dass das RC-Glied so dimensioniert ist, dass die Frequenz des Multivibrators höchstens ebensohoch wie die mechanische Eigenfrequenz des Schwingungssystems ist.
Hier wird also die Anordnung so getroffen. dass der gesamte Spulenstrom über die Emitter-Kollektor-Strecken beider Transistoren fliesst, wobei von diesem Strom nur noch ein sehr kleiner Teil abgezweigt wird, der zum Triggern benötigt wird und keinen Antriebseffekt bewirkt. Es ergibt sich so bei einer selbstanlaufenden Uhr eine optimale Ausnutzung und eine maximale Lebensdauer der Batterie, sowie die Möglichkeit eines kompakten Schaltungsaufbaus, was für Uhren, wie beispielsweise Armbanduhren, bedeutsame Vorteile sind.
Zur Unterdrückung von hochfrequenten Schwingungen kann noch ein Dämpfungskondensator vorgesehen sein, der vorzugsweise der Spule parallel geschaltet ist.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn zur Begrenzung des Basisstroms zwischen der Basis des unmittelbar mit der Spule verbundenen Transistors und dem anderen Spulenende ein Vorwiderstand angeordnet ist.
Für das Schwingungsverhalten der erfindungsgemässen Antriebsschaltung, insbesondere im Hinblick auf einen schnellen Ladungsabbau in dem der Spule benachbarten Transistor, ist es besonders günstig, wenn der Widerstandswert des Vorwiderstands ein Vielfaches des ohmschen Widerstands der Spule ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Mit 10 ist ein permanenter Magnet bezeichnet, der auf dem freien Ende einer mit 12 bezeichneten Feder befestigt ist, deren entgegengesetztes Ende mit einem stationären Teil fest verbunden ist. Der Magnet 10 kann dabei entsprechend dem Doppelpfeil A hin und her schwingen und wirkt mit einer stationären, zugleich als Steuer- und Antriebsspule dienenden Spule 14 zusammen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Spule feststehend und der Magnet als schwingungsfähig eingezeichnet; es kann statt dessen auch, wie dies meist üblich ist, der Magnet stationär und die Spule schwingungsfähig angeordnet werden.
Das eine Ende der Spule 14 ist mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle 16 verbunden. Der Minuspol der Gleichstromquelle ist über die Kollektor-Emitter-Strecke eines PNP-Transistors 18 und die Emitter-Kollektor-Strecke eines NPN-Transistors 20 an das andere Ende der Spule 14 angeschlossen. Die beiden Transistoren 18 und 20 können ohne weiteres gegeneinander vertauscht werden, und es ist dann lediglich die Batterie entsprechend umzupolen. Ein weiterer Stromkreis führt vom Pluspol der Gleichstromquelle über einen Widerstand 22 zur Basis des Transistors 20, von dort über den Emitter des Transistors 20, den Emitter des Transistors 18, die Basis der Transistors 18 und schliesslich über einen Widerstand 24 zum Minuspol der Stromquelle.
Ferner ist die Basis des Transistors 18 über einen Kondensator 26 mit dem Kollektor des Transistors 20 und damit auch mit dem einen Ende der Spule 14 verbunden.
Ferner kann noch ein lediglich strichpunktiert eingezeichneter Kondensator 30 vorgesehen sein, der hochfrequenten Strom unterdrückt und im vorliegenden Beispiel parallel zur Spule 14 geschaltet ist.
Im folgenden soll nun die Wirkungsweise der Antriebsschaltung des näheren erläutert werden.
Im Ruhezustand, d.h. bei stillstehendem Magnet 10, sei angenommen, dass durch irgendeinen nicht dargestellten Schalter die Stromquelle 16 eingeschaltet wurde. Damit beginnt die Aufladung des Kondensators 26 über den durch die Spule 14 und den Widerstand 24 gebildeten Ladekreis, der nun bis zur Spannung der Stromquelle aufgeladen werden kann. Schliesslich liegt an der Basis des Transistors 18 eine negative Spannung, so dass der Transistor 18 leitend wird. Ähnliches gilt auch für den Transistor 20, an dessen Basis die volle positive Spannung der Stromquelle 16 liegt, so dass also auch hier Basis und Kollektor die gleiche Spannung aufweisen, d. h. die Vorbedingungen für das Öffnen des Transistors 20 vorhanden sind.
Sobald nun diese beiden Transistoren 18 und 20 anfangen sich zu öffnen, beginnt ein Strom von der Stromquelle 16 über die Spule 14 und die Kollektor-Emitter-Strecken der beiden Transistoren 18 und 20 zu fliessen, so dass eine gegenseitige Einwirkung zwischen der Spule 14 und dem Magneten 10 eintritt, und im vorliegenden Fall dem schwingfähigen Magneten 10 ein Impuls erteilt wird.
Da auch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 20 leitend geworden ist, kann sich der Kondensator 26 über diese Strecke und die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 18 entladen, so dass infolge des zuletzt genannten Transistors die Schwingung die volle Impulshöhe lawinenartig erreicht. Nach der Entladung des Kondensators 26 bricht der Impuls ebenso lawinenartig zusammen. Anderseits wird durch die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet und die dem Schwingungssystem zugehörige mechanische Eigenfrequenz in der Spule jeweils ein Steuerimpuls induziert, auf dessen Einfluss auf die Antriebsschaltung weiter unten näher eingegangen wird.
Wenn in der Spule 14 nach dem mechanischen Anschwingen kein Impuls induziert wird, ist der Transistor 18 infolge der gegenüber dem Kollektor positiveren Basis gesperrt. Das gleiche trifft auch auf den Transistor 20 zu, da dort bei geschlossenem Transistor 18 kein Steuerstrom über die Basis fliessen kann.
Der Widerstand 22 dient der Begrenzung des Basis-Stroms des Transistors 20 und damit desjenigen Stroms, der für den Antrieb des mechanischen Schwingers, im vorliegenden Fall des Magneten 10, wirkungslos bleibt.
Wird nun mit entsprechender Polarität in der Spule 14 ein Impuls erzeugt, so wird die Basis des Transistors 18 über den Kondensator 26 angesteuert und dieser Transistor geöffnet.
Nunmehr kann über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 20 ein entsprechender Strom fliessen, so dass auch der Transistor 20 leitend wird. Damit ist der Stromkreis von der Spule 14 über den Transistor 20, Transistor 18 zur Stromquelle 16 geschlossen, d. h. es fliesst nun der zum Antrieb des Schwingungssystems erforderliche Antriebsstrom.
Die Dimensionierung der einzelnen Elemente muss dabei so erfolgen, dass vom Eingang (Basis des Transistors 18) bis zum Ausgang (Kollektor des Transistors 20) die Phase um 360 gedreht wird, so dass die allgemeine Schwingbedingung erfüllt ist.
Die Impulslänge ist durch die Entladezeitkonstante des Kondensators 26 bestimmt, der sich über die beiden Transistoren entlädt. Nach der Entladung des Kondensators tritt wieder der vorherige Zustand ein, d. h., die gegenüber dem Kollektor positivere Basis sperrt den Transistor 18 und damit auch den Transistor 20.
Die Pause zwischen den elektrischen Impulsen ist durch die Aufladezeitkonstante des Kondensators bestimmt. Diese wird vorteilhaft gemäss der Erfindung so gewählt, dass sie länger als oder höchstens gleich lang wie die Periode des mechanischen Schwingungssystems ist und so die Synchronisierung und Triggerung der Antriebsschaltung durch das mechanische Schwingungssystem erfolgt.
Erwähnt sei noch, dass der Widerstand 24 verhältnismässig gross, beispielsweise von der Grössenordnung von 1 M Ohm, ist. Beim Widerstand 22 handelt es sich um einen relativ dazu kleinen Widerstand von der Grössenordnung von 100 K Ohm. Die Kapazität 26 ist in der Grössenordnung von 1/ion C1 F.
Durch die angegebenen Werte und unter Verwendung von geeigneten Transistoren und einer entsprechenden Spule können mechanische Schwingungssysteme in einem Frequenzbereich z. B. zwischen 200 und 500 Perioden synchronisiert werden, ohne dass die Phasenbedingung verletzt wird.
The invention relates to a drive circuit for time-keeping devices, in particular for clocks.
A drive circuit for time-keeping devices has already become known. in which an oscillating coil, which acts as a control and drive coil and which forms part of a monostable multivibrator circuit, interacts with several stationary, permanent magnets. This circuit has two complementary transistors, an RC element and a direct current source.
The arrangement is such that both transistors are permanently blocked when the oscillating system is in the rest position.
This circuit system is therefore not self-starting. When the system oscillates mechanically, the impulse generated in the coil opens both transistors, but the coil current only flows through one transistor, while parallel to this a current useless for the drive of at least 20% or more of the total current flows through the other transistor flows. This means. that a particular battery has a shorter lifespan, or that a larger battery must be used for a given lifespan (U.S. Patent No. 3,046,460).
Furthermore, a drive circuit for a time-keeping device has become known which has a permanent magnet. a coil which oscillates relative to this and is designed as a control and drive coil, two complementarily connected transistors. has an RC element and a bridge with four bridge branches. One branch of the bridge is the coil, while the other three branches of the bridge are formed by resistors. One diagonal of the bridge is at the input of one transistor and the other diagonal at the output of the other transistor. This circuit has the advantage that the mechanical oscillation system can start up itself. but it is relatively expensive because of the large number of resistances.
In addition, part of the battery current flows through two resistor bridge branches during the drive pulse. and one branch current is useless for the drive, so that the service life of the current source is correspondingly reduced as a result. In addition, there is another resistor in series with the coil, which also means a loss of energy, since the drive pulse flowing through it causes a voltage drop.
It has also become known to provide a drive circuit with only one transistor and a single coil acting as a control and drive coil. In order to make the system electrically oscillatable here, however, a feedback transformer is provided. Such a circuit is self-starting, but the amplification is only effected by a single transistor, which must have a correspondingly high amplification factor in order to keep the oscillation electrically going. In addition, there is the usual spatial restriction, as is usually the case with clocks. a transformer undesirable because it takes up much more space than most other components, in any case much more space than a second transistor.
It is also more expensive than the transistors currently available on the market (US Pat. No. 2,909,732).
It is also known per se in oscillator circuits to connect the emitters of a PNP transistor and an NPN transistor directly to one another, so that both emitter-collector paths are connected in series and an asymmetrical multivibrator is thus formed (USA patent number 2 769 907); However, such a circuit has not yet been used to drive mechanically oscillating structures.
The purpose of the invention is to create a drive circuit for time-keeping devices, in particular for clocks, which on the one hand ensures that the arrangement starts up automatically, but on the other hand has a lower power consumption and less space requirement than is the case with the circuits known for clocks, and which ultimately a cost-saving production allowed.
The drive circuit according to the invention, which has at least one permanent magnet and a coil, which form parts of the mechanical vibration system and drive it, the coil acting as a trigger and drive coil being part of a multivibrator circuit containing two complementary transistors, an RC element and a power source , is characterized in that the current source, the coil and both emitter-collector paths of the transistors are connected in series, that the emitters of both transistors are connected to one another and the base and collector of each transistor are conductively connected to one of the two poles of the current source, and that the RC element is dimensioned such that the frequency of the multivibrator is at most as high as the mechanical natural frequency of the vibration system.
So here the arrangement is made. that the entire coil current flows through the emitter-collector paths of both transistors, whereby only a very small part of this current is branched off, which is required for triggering and does not cause any drive effect. With a self-starting clock, this results in optimal utilization and maximum battery life, as well as the possibility of a compact circuit structure, which are significant advantages for clocks such as wristwatches.
To suppress high-frequency vibrations, a damping capacitor can also be provided, which is preferably connected in parallel with the coil.
It is also advantageous if a series resistor is arranged between the base of the transistor directly connected to the coil and the other end of the coil to limit the base current.
For the oscillation behavior of the drive circuit according to the invention, in particular with regard to rapid charge reduction in the transistor adjacent to the coil, it is particularly favorable if the resistance value of the series resistor is a multiple of the ohmic resistance of the coil.
An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in the drawing.
With 10 a permanent magnet is referred to, which is attached to the free end of a spring designated 12, the opposite end of which is firmly connected to a stationary part. The magnet 10 can swing back and forth in accordance with the double arrow A and interacts with a stationary coil 14 which also serves as a control and drive coil. In the embodiment shown, the coil is stationary and the magnet is shown as being capable of oscillation; instead, as is usually the case, the magnet can be arranged in a stationary manner and the coil can be arranged to vibrate.
One end of the coil 14 is connected to the positive pole of a direct current source 16. The negative pole of the direct current source is connected to the other end of the coil 14 via the collector-emitter path of a PNP transistor 18 and the emitter-collector path of an NPN transistor 20. The two transistors 18 and 20 can easily be interchanged with one another, and then only the polarity of the battery has to be reversed accordingly. Another circuit leads from the positive pole of the direct current source via a resistor 22 to the base of the transistor 20, from there via the emitter of the transistor 20, the emitter of the transistor 18, the base of the transistor 18 and finally via a resistor 24 to the negative pole of the current source.
Furthermore, the base of the transistor 18 is connected via a capacitor 26 to the collector of the transistor 20 and thus also to one end of the coil 14.
Furthermore, a capacitor 30, shown only in dash-dotted lines, can be provided, which suppresses high-frequency current and, in the present example, is connected in parallel to coil 14.
In the following, the operation of the drive circuit will now be explained in more detail.
At rest, i.e. When the magnet 10 is stationary, it is assumed that the current source 16 has been switched on by some switch, not shown. This begins the charging of the capacitor 26 via the charging circuit formed by the coil 14 and the resistor 24, which can now be charged up to the voltage of the power source. Finally, there is a negative voltage at the base of the transistor 18, so that the transistor 18 becomes conductive. The same also applies to the transistor 20, at the base of which the full positive voltage of the current source 16 is applied, so that here too the base and collector have the same voltage, ie. H. the preconditions for opening the transistor 20 are present.
As soon as these two transistors 18 and 20 start to open, a current begins to flow from the current source 16 via the coil 14 and the collector-emitter paths of the two transistors 18 and 20, so that a mutual action between the coil 14 and the magnet 10 occurs, and in the present case the oscillatable magnet 10 is given a pulse.
Since the collector-emitter path of transistor 20 has also become conductive, capacitor 26 can discharge via this path and the emitter-base path of transistor 18, so that as a result of the transistor mentioned last, the oscillation reaches the full pulse height like an avalanche. After the capacitor 26 is discharged, the pulse also collapses like an avalanche. On the other hand, the relative movement between the coil and the magnet and the mechanical natural frequency associated with the vibration system induce a control pulse in the coil, the influence of which on the drive circuit will be discussed in more detail below.
If no pulse is induced in the coil 14 after the mechanical oscillation, the transistor 18 is blocked as a result of the base, which is more positive than the collector. The same also applies to transistor 20, since there, when transistor 18 is closed, no control current can flow via the base.
The resistor 22 serves to limit the base current of the transistor 20 and thus that current which remains ineffective for driving the mechanical oscillator, in the present case the magnet 10.
If a pulse with the corresponding polarity is now generated in the coil 14, the base of the transistor 18 is activated via the capacitor 26 and this transistor is opened.
A corresponding current can now flow via the base-emitter path of the transistor 20, so that the transistor 20 also becomes conductive. The circuit from the coil 14 via the transistor 20, transistor 18 to the current source 16 is thus closed, i. H. the drive current required to drive the vibration system now flows.
The individual elements must be dimensioned in such a way that the phase is rotated by 360 from the input (base of transistor 18) to the output (collector of transistor 20) so that the general oscillation condition is met.
The pulse length is determined by the discharge time constant of the capacitor 26, which discharges through the two transistors. After the capacitor has discharged, the previous state occurs again, i.e. That is, the base, which is more positive than the collector, blocks transistor 18 and thus transistor 20 as well.
The pause between the electrical impulses is determined by the charging time constant of the capacitor. This is advantageously selected according to the invention so that it is longer than or at most as long as the period of the mechanical oscillation system and so the drive circuit is synchronized and triggered by the mechanical oscillation system.
It should also be mentioned that the resistor 24 is comparatively large, for example on the order of 1 M ohm. The resistor 22 is a relatively small resistor of the order of 100 K ohms. The capacitance 26 is of the order of 1 / ion C1 F.
With the specified values and with the use of suitable transistors and an appropriate coil, mechanical vibration systems in a frequency range e.g. B. can be synchronized between 200 and 500 periods without violating the phase condition.