Brevet FR2099525A1 — publié le 19720317

La présente invention est relative aux dispositifs permettant la régulation automatique de l'amplitude des oscillations d'oscillateurs électromécaniques tels que balanciers, diapasons, pendules dont les oscillations sont entretenues par l'intermédiaire de forces électro-magnétiques produites par des bobinages alimen-5 tés par des circuits électroniques transistorisés. On peut diviser ces circuits en deux catégories, ceux dans lesquels l'oscillation mécanique est entretenue au moyen de deux bobines : une bobine de régulation et une bobine d'excitation, et ceux n'utilisant qu'une seule bobine,celle d'excitation. 10 Dâns l'un et l'autre de ces principes d'excitation, le maintien à une valeur constante de l'amplitude des oscillations de l'oscillateur mécanique joue un rôle important du fait que ladite amplitude des oscillations exerce une influence déterminante sur la précision de l'horloge ou de la montre. D'autre part, cependant, l'amplitude des oscillations est fonction d'un nombre important de facteurs exté-15 rieurs, par exemple la température ambiante, la position dans l'espace(ceci ayant une importance particulière dans les montres bracelets )Aa tension de la batterie, etc. Le maintien à une valeur constante de l'amplitude des oscillations est habituellement pratiqué dans le cas des circuits à deux bobines et ne présente pas de difficultés particulières en ce qui concerne l'aspect technique du circuit. 20 Dans le cas des circuits à bobine unique, le maintien à une valeur constante de l'amplitude des oscillations de l'oscillateur mécanique est réalisé par un procédé électronique, et il entraîne certaines difficultés. La présente invention concerne donc un procédé de régulation de l'amplitude des oscillations d'oscillateurs électromécaniques à une seule bobine de conmande dans lesquels le circuit 25 électronique d'alimentation de la bobine comporte un transistor d'excitation et un transistor de régulation, de types complémentaires, la base du transistor d'excitation étant alimentée par le collecteur du transistor de régulation,lui-mime intercalé dans le circuit collecteur du transistor d'excitation,et la base du transistor de régulation étant alimentée par le collecteur du transistor d'excitation 50 par l'intermédiaire d'éléments de circuits électroniques. Un tel circuit est représenté à la figure 1 des dessins ci-annexés. La bobine L reçoit par une de ses bornes la tension de la batterie -Ug et par son autre borne elle est reliée au collecteur du transistor d'excitation T1 dont la base est commandée par le courant du collecteur du transistor de régulation T2. L'émetteur du tran-55 sistor T2, est relié, si nécessaire, par l'intermédiaire d'une résistance RI, à la tension de la batterie -U_. La base du transistor de commande T2 est reliée à la masse du circuit par l'intermédiaire de la résistance R2, de même qu'elle est reliée par l'intermédiaire d'un réseau de couplage K au collecteur du transistor d'excitation Tl. Le courant de base du transistor T2 qui traverse la résistance R2, 40 est nécessaire pour mettre le circuit en oscillation. Le réseau de couplage peut 71 26821 a 2099525 être constitué par un condensateur ou une résistance ou une diode ou encore une combinaison de ces éléments (CF brevet allemand n° 1 166 101, demande de brevet français n° 2 000 706, et la revue "Annuaire des Sociétés Allemandes de Chro-nométrie, volume 20/1, pages 17 et suivantes." 5 Ce circuit classique convient pour les systèmes à un seul aimant et pour les systèmes à aimants multiples, c'est-à-dire qu'une ou plusieurs paires de pôles magnétiques peuvent coopérer avec la bobine L pour entretenir les oscillations mécaniques. Ce circuit convient aussi bien dans le cas où la bobine est fixe et les aimants sont mobiles avec l'oscillateur que dans le cas où les aimants sont fixes 10 et la bobine mobile avec l'oscillateur. Pour simplifier l'illustration, on considère seulement un système à un seul aimant. Dans ce système, dans l'état transitoire, la tension au collecteur du transistor d'excitation Tl, présente une courbe en fonction du temps qui est celle représentée figure 2. Lorsque la tensbn u^ de valeur de crête qui est créée par le déplacement relatif entre l'aimant et la 15 bobine, atteint, après un passage par zéro, le seuil de fonctionnement U„ du tran- o sistor de conmande T2, les deux transistors deviennent conducteurs. En conséquence, durant la période t^, le transistor d'excitation Tl est amené à saturation et un courant passe dans la bobine L. La valeur de ce courant et, par conséquent, l'énergie appliquée au système oscillant,sont fonction en particulier 20 de la tension de la batterie. En raison de cette dépendance,l'amplitude des oscillations augmente à mesure que la tension de la batterie s'abaisse, ce qui affecte la précision. En outre, l'amplitude des oscillations est influencée par les changements brusques de position, par exemple dans le cas des montresbraceletsou des pendules de bord des automobiles. 25 La présente invention a pour objet, grâce à des mesures de circuit appropriées, de contrôler l'influence de la tension de batterie et autres influences ambiantes sur l'amplitude des oscillations. La tension induite dans la bobine pourrait servir de mèsure pour l'amplitude des oscillations. En fait, il est impossible d'utiliser la tension induite comme 30 moyen de détermination du moment où le transistor d'exicitation est amené à saturation, car dans les circuits à une seule bobine il se produit une chute de tension supplémentaire à travers la résistance ohmique de la bobine sous l'action du courant de collecteur du transistor d'excitation. Le procédé qui vient d'être décrit en détail permet de résoudre ce problème en 55 ce qu'au moins une des deux électrodes de conmande (base ou émetteur) du transistor de régulation reçoit un potentiel de polarisation continu dont l'amplitude est fonction de la valeur de crête de la tension librement induite dans la bobiné, grâce à un circuit de contrôle à au moins deux étages, 1'augmentation de la valeur de crête de la tension librement induite augmentant la valeur du seuil de fonc-40 tlonnement de l'étage qui comprend le transistor de conmande, ce qui a pour effet 71 26821 2099525 3 de réduire la durée de passage du courant dans la bobine. L'expression "tension librement induite" telle qu'elle est utilisée en relation avec la présente invention désigne la tension particulière induite dans la bobine et qui, dans le cas d'un transistor d'excitation bloqué Tl, sert à en élever la tension collecteur-émetteur à une valeur dépassant celle de la batterie. De plus, l'invention concerne les arrangements de circuits permettant la mise en oeuvre du procédé prévu selon l'invention, lesquels sont caractérisés par le fait que dans le cas d'un circuit de contrôle à deux étages, ce dernier comprend deux transistors complémentaires. Le premier est du même type que le transistor de régulation et relié peu? sa base à l'extrémité de la bobine qui reçoit la tension de la batterie et par son émetteur -si nécessaire à travers une résistance-à l'autre extrémité de la bobine, le second transistor étant du même type de eon-ductivité que le transistor d'excitation et étant relié par sa base au collecteur du premier transistor et par l'une au moins de ses autres électrodes à un circuit BC [RC en parallèle qui, par Tune de ses extrémités, est relié au potentiel de masse;; (c'est-à-dire au point nul du circuit) et par son autre extrémité, à travers taie résistance,à la base du transistor de commande ou bien encore est relié par l'une de ses extrémités à la tension de la batterie et par son autre extrémité à l'émetteur du transistor de conmande. Les objets et caractérlsques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, lacklte description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels : La figure 1 représente le circuit prévu selon la technique antérieure. La figure 2 représente la tension dans le transistor d'excitation de la figure 1 et Les figures 3 à 5 représentent des exemples de réalisation du circuit prévu selon l'invention. L'arrangement de circuit de la figure 3 représente le circuit de la figure 1 augmenté de la partie servant à contrôler l'amplitude. La résistance R2 qui relie la base du transistor de conmande à la masse du circuit est subdivisée en deux résistances partielles aR2 et (l-a) R2, cette dernière résistance partielle étant shuntée par un condensateur en parallèle Cl, la lettre a définissant un nombre arbitraire quelconque Inférieur à l'unité. Le premier transistor T3 est du même type que le transistor T2, il est soumis par sa base à la tension de batterie U^, son émetteur est relié par 1'intermédiaire de la résistance R3 au collecteur du transistor d'excitation Tl. L'émetteur du transistor T3 peut,de mène,être relié directement au collecteur du transistor d'excitation Tl. Le collecteur du transistor T3 est relié à la base du second transistor T4 du circuit de régulation. Le collecteur du transistor T4 est soumis à la tension de batterie Ug tandis que son émetteur est relié à l'extrémité 71 26821 , 2099545 circuit RC en parallèle composé par (1-a) R2 et Cl. L'arrangement de circuit représenté à la figure 4 diffère de celui de la figure 3 en ce que la résistance R2 n'est pas subdivisée, en ce que la résistance RI est reliée en parallèle à un condensateur C2 et en ce que l'émetteur du tran-5 sistor T4 est relié à la nasse du circuit tandis que son collecteur est relié à l'extrémité du circuit BC comportant en parallèle Rl, C2 . L'arrangement de circuit représenté à la figure 5 comhine les arrangements de circuit des figures 3 et 4 de manière que 1'émetteur du transistor T4 soit connecté au circuit BC comportant en parallèle (1-a) R2, Cl, le collecteur du aÉtoe tran-LO sistor étant relié au circuit RC comportant en parallèle RL- C2. On va maintenant décrire le mode de fonctionnement fondamental de ces arrangements de circuit en se référant à la figure 3« Dans l'état stable et contrôlé, une impulsion de courant qui est déterminée à l'avance par l'amplitude de la tension librement induite dans la bobine et par les valeurs des composants, circule 15 dans le circuit collecteur-émetteur du transistor T5 et, par conséquent, dans une plus large proportion, à travers le circuit collecteur-émetteur du transistor T4. Ce courant engendre une certaine tension moyenne sur le condensateur Cl. Cette tension contribue à déterminer le seuil de fonctionneaent du transistor de comande T2. Si, en raison d'une influence ambiante arbitraire quelconque, par exemple un 20 choc ou un impact, ou encore une variation de la tension fournie par la batterie, l'oscillateur mécanique est excité jusqu'à une amplitude plus élevée, une tension u^ également plus élevée est induite dans la bobine, la valeur de crête étant supérieure à celle qui existe à l'état stable. En conséquence, des courants d'émetteur et de collecteur plus élevés circulent dans le transistor T3 lequel à son 25 tour engendre un courant amplifié pour l'émetteur du transistor T4. De ce fait, le condensateur Cl est chargé jusqu'à des tensions plus négatives que le point zéro de circuit,de sorte que le potentiel de base du transistor de commande T2 devient également plus négatif; de ce fait,la tension seuil de cet état est accrue et le transistor de conmande T2 est mis en circuit plus tardivement que dans le 30 cas de l'état stable, et le temps de passage du courant t^ est raccourci et, eguite conséquence, l'énergie fournie au système à oscillations électromécaniques est ré/ Dans le cas d'influences extérieures très fortes, qui engendrent une amplitude d'oscillation accrue, il se peut que,par suite de l'effet de régulation, le seuil de fonctionnement Ug soit déplacé de façon telle que le transistor T2 ne soit ame-35 né à saturation qu'après une ou plusieurs Impulsions, c'est-à-dire seulement après que son anqslitude ait de nouveau diminué par suite de 1 ' amorti ssement mécanique de l'oscillateur. Si, cependant, les influences extérieures sur le système: oscillant ont un effet tel que son amplitude en est réduite, le processus électrique s'effectue alors avec 40 le signe opposé. Le circuit de la figure 4 fonctionne de façon semblable,à cette 71 26821 , 2099525 exception près que dans ce circuit ce n'est pas le potentiel de polarisation de base du transistor de régulation qui est contrôlé, mais plutôt son potentiel de polarisation d'émetteur, en fonction de la tension librement induite. Les arrangements de circuits proposés pour la mise en oeuvre du procédé selon 5 l'invention peuvent être réalisés de façon avantageuse sous forme de circuits intégrés monolithiques. Dans le cas de 1'arrangement de circuit de la figure 5, il est possible de prévoir un composant intégré ne nécessitant que cinq bornes de connexion extérieures à savoir deux pour la tension de batterie et une pour chaque extrémité de la bobine L et des condensateurs Cl et C2. 10 Dans le cas de l'arrangement illustré aux figures 3 et 4,ce nombre peut être réduit à quatre bornes car, dans ces circuits, il n'est prévu qu'un seul condensateur. Si l'intégration monolithique des circuits est réalisée avec des transistors individuels présentant les types de conductivité montrés aux figures 3 à 5, les 15 transistors Tl et T4 sont du type de conductivité pnp, tandis que les transistors T2 et T3 sont du même type de conductivité npn ;il convient alors particulièrement que le transistor d'excitation soit un transistor à substrat, c'est-à-dire de manière que sa zone de collecteur soit identique à la zone du substrat du type p qui est commune à l'ensemble du circuit intégré monolithique. Ceci entraîne un 20 facteur amplification-courant plus élevé sans qu'il soit nécessaire de prévoir des mesures ou des opérations technologiques supplémentaires. Enfin,dans le cas d'une intégration monolithique du circuit,il est suggéré de connecter le circuit base-émetteur d'un transistor supplémentaire en parallèle au circuit base émetteur du transistor T4, auquel cas le collecteur de ce transis-25 tor supplémentaire T5 est,de plus,relié à la base de celui-ci. Dans ce cas, il convient que les zones de jonction pn du transistor supplémentaire T5 soient moins étendues ou tout au plus égales aux zones de la jonction pn du transistor T4, de manière que le courant du collecteur du transistor T4 soit dans une plus large mesure indépendant des variations du facteur amplification-courant, les condensa-30 teurs Cl ou C2 étant de ce fait chargés d'une manière plus définie. Grâce ài'intégrabilité monolithique des circuits propres à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et au petit nombre des,connexions extérieures nécessaires pour cette opération, ces arrangements conviennent particulièrement pour les montres bracelets. Si l'on considère leurs propriétés exellentes de commande, 35 ils peuvent également être utilisés avec profit dans les horloges ou les montres qui sont alimentées par une tension de batterie variant considérablement. C'est ainsi que dans une horloge utilisant un circuit tel que celui de la figure 5, pour des variations de tension de la batterie cemprises entre 1,1 et 1,6 volts, on a constaté un écart de précision inférieur-à cinq secondes par jour. 40 Ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la -portée de l'invention. 71 26821 , 2099525 6 REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation pour oscillateur électromécanique permettant de régulariser l'amplitude des oscillations appliquées aux/bornes d'une bobine, ledit dispositif comprenant un transistor d'excitation et un transistor de régulation de 5 types complémentaires, le collecteur du transistor d'excitation étant relié à une borne de la bobine et à la base du transistor de régulation, la base du transistor d'excitation étant reliée au collecteur du transistor de régulation, l'émetteur du transistor d'excitation étant relié à une borne d'alimentation, l'émetteur du transistor de régulation étant relié à une autre borne d'alimentation, et l'autre borne 10 de la bobine étant reliée à l'autre borne d'alimentation, ce circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier transistor du même type de conductivité que le transistorde régulation - un second transistor du même type de conductivité que le transistor d'excitation, la base du second transistor étant reliée au collecteur du premier transistor, la 15 base du premier transistor et le collecteur du second transistor étant reliés à l'autre borne d'alimentation, l'émetteur du premier transistor étant relié au collecteur du transistor d'excitation ; et - un premier réseau RC composé par une résistance et un condensateur en parallèle dont une borne est reliée à l'émetteur du second transistor ainsi qu'à la base du 20 transistor de régulation et dont l'autre borne est reliée à la première borne d'ali mentation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus : - un second réseau RC comprenant une résistance et un.condensateur en parallèle 25 dont une borne est reliée au collecteur du second transistor et à l'émetteur, du transistor de régulation et dont l'autre borne est reliée à l'autre borne d'alimentation. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première borne d'alimentation est reliée à la masse du circuit. J0 4. Dispositif de commande pour oscillateur électromécanique permettant de commander l'amplitude des oscillations qui apparaissent sur une bobine, comprenant un transistor d'excitation et un transistor de régulation d'un type de conductivité complémentaires, le collecteur du transistor d'excitation étant relié à une extrémj té de la bobine et à la base du transistor de régulation, la base du transistor 35 d'excitation étant reliée au connecteur du transistor de régulation, l'émetteur du transistor d'excitation étant relié à une borne d'alimentation, à laquelle est également reliée à la base dudit transistor de régulation dont l'émetteur est relié à une autre borne d'alimentation à laquelle est également reliée l'autre borne de la bobine, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : 40 - un premier transistor d'un type de conductivité identique à celui du transistor COPY 71 26821 2099525 7 de régulation ; - une second transistor du mime type de conductivité que le transistor d'excitation, la base de ce second transistor étant reliée au collecteur du premier transistor dont la base est reliée à l'autre borne d'alimentation, l'émetteur du pre- 5 mier transistor étant relié au collecteur du transistor d'excitation et l'émetteur du second transistor étant relié à cette borne d'alimentation ; - un réseau RC comportant une résistance et un condensateur en parallèle dont une borne est reliée au collecteur du second transistor et à l'émetteur du transistor de régulation, l'autre borne du réseau étant reliée à l'autre borne 10 d1 alimentation. 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