≡

Uhren mit mechanischem Schwinger

Uhren mit Zweispulen-System

Bild 1 zeigt schematisch die räumliche Anordnung des Zweispulen-Antriebssystems und Bild 2 das Schaltbild. Durch die Relativbewegung zwischen Magnet und Spulen wird in der Steuerspule LS eine Spannung induziert, die über den Koppelkondensator an die Basis des Transistors gelangt. Die in der Emitterleitung liegende Antriebsspule LA erhält den Antriebsimpuls und vermittelt so dem Schwingsystem die zum Aufrechterhalten der Schwingung erforderliche Energie. Der Widerstand R bewirkt, dass die Unruh auch aus der Ruhelage zu Schwingungen angeregt wird, dass also Selbstanlauf der Uhr gewährleistet ist.

Bild 1: Schematischer Aufbau eines Unruh-Spiralfeder-Resonators mit permanentdynamischem Antrieb

Bild 2: Prinzipschaltbild eines Zweispulen-Uhrantriebs 

Die integrierte Schaltung TAA 780

Großuhren werden meistens aus Braunstein-Batterien gespeist, deren Spannung mit zunehmender Entladung erheblich absinkt. Dadurch verringert sich im Laufe des Jahres die dem Schwinger zugeführte Antriebsleistung, und daraus resultiert eine Gangabweichung. Durch Einsatz der von INTERMETALL speziell für Großuhren entwickelten integrierten Schaltung TAA 780 lässt sich dieser Nachteil vermeiden. Die integrierte Schaltung TAA 780 (Bild 3) enthält außer dem Arbeitstransistor T1 eine Regelschaltung, die, unabhängig von der Batteriespannung, im Bereich von UB = 1,2...1,7V die Spannung an der Antriebsspule konstant auf 1,1V hält.

Bild 3: Innenschaltung des TAA 780

Die Regelschaltung

Die Regelschaltung hält die Ausgangsspannung U3/4 im Eingangsspannungsbereich 1,2V<U2/4<1,7V konstant auf 1,1V. Die Wirkungsweise der Regelung wird an Hand von Bild 4 erläutert.

Bild 4: Messschaltung für den TAA 780

Die Eingangsspannung U2/4 soll zwischen 0V und 1,7V variiert werden bei einem Strom I1, der ausreicht, den Arbeitstransistor bis auf seine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung durchzusteuern. In der Uhrenschaltung liefert die Steuerspule LS den Strom I1. Dabei ergibt sich eine Stabilisierungskennlinie nach Bild 5.

Bild 5: Ausgangsspannung U3/4 in Abhängigkeit  von der Eingangsspannung U2/4

Im Bereich A steigt U3/4 bei durchgesteuertem Transistor linear mit der Eingangsspannung an. Für die Ausgangsspannung gilt

U3/4 = U2/4 - U2/3 sat

Proportional mit der Ausgangsspannung steigt auch die heruntergeteilte Spannung UBE2. Dabei ist der Spannungsteiler R1:R2 so ausgelegt, dass bei einer Ausgangsspannung U3/4 = 1,1V diese Teilspannung die Größe der Basis-Emitter-Schwellspannung des Steuertransistors T2 erreicht. Damit setzt die Stabilisierung ein. Der Regeltransistor T2 wird angesteuert und übernimmt in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U3/4 einen Teil des Stromes I1. Die Ausgangsspannung ergibt sich nach der Gleichung

U3/4 = UBE2 * (R1/R2 + 1) + IB2 * R1

Darin gibt der erste Summand die Ausgangsspannung U3/4 für den unbelasteten Teiler (IB2 = 0) an, der zweite Summand die Spannungserhöhung +dU3/4 bei Belastung des Teilers mit dem Basisstrom IB2.

In erster Näherung hängt damit die Ausgangsspannung von dem Teilerverhältnis R1:R2 und der Größe der Basis-Emitter-Schwellspannung UBE2 des Regeltransistors ab. Beide Werte lassen sich in integrierter Technik mit großer Genauigkeit herstellen.

Der Temperaturgang der stabilisierten Spannung U3/4 ist ebenfalls durch die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung des Regeltransistors gegeben. Da er mit -2,8 * 10-3 grd-1 noch in einem Bereich liegt, der durch geeignete Materialien für den Resonator kompensiert werden kann, wurde auf eine aufwendige elektrische Kompensation verzichtet.

Schaltbeispiel mit dem TAA 780

Bild 6: Schaltbild einer elektronischen Uhr mit Selbstanlauf und Spannungsstabilisierung

Bild 6 zeigt eine mögliche Beschallung des TAA 780 zum spannungs-stabilisierten Antrieb einer Uhr mit Selbstanlauf. Die Wirkungsweise ist folgende:

a) Selbstanlauf

Die Unruh ist um einen Vorstellwinkel av gegenüber der Spulenmitte verstellt. Über den Widerstand R3 fließt nach Aufladung der Kondensatoren C1 || C2 ein Strom in die Basis des Arbeitstransistors T1. Der dann durch die Antriebsspule LA fließende Strom bewirkt eine erste Auslenkung der Unruh in eine labile Lage. Infolge der Mitkopplung im Spule-Magnet-Verstärker-System wird die mechanische Schwingung bis zum stationären Betrieb angefacht.

b) Stationärer Betrieb

Er ist auch ohne das RC-Glied R3 und C1 unter Verzicht auf Selbstanlauf möglich. Die beim Überschwingen des Magneten in der Steuerspule LS induzierte Impulsspannung öffnet den Arbeitstransistor kurzzeitig. Der dann durch die Antriebsspule LA fließende Strom ist so gerichtet, dass die Bewegung der Unruh unterstützt wird. Der Kondensator C2 verhindert eine Eigenschwingung der Schaltung. Durch die Regelschaltung wird die Spannung an der Antriebsspule für die Dauer des Impulses konstant gehalten. Damit ist bei gegebener Schwingungsweite der Unruh auch die ihr zugeführte Impulsleistung P konstant. Die der Unruh pro Impuls zugeführte Arbeit ist dann

W = P * tP

Die Impulsdauer wird mit steigender Schwingungsamplitude kleiner. Damit ergibt sich für den Schwinger zusätzlich eine Regelung, die ihn (auch in Abhängigkeit von Störgrößen, die am Schwinger angreifen) in seiner Schwingamplitude stabilisiert.

(TOP)